Webb odkrył w IC 348 rekordowo lekkie brązowe karły

Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba wykrył w młodym obszarze formowania gwiazd IC 348 brązowe karły o szacowanej masie sięgającej zaledwie około dwóch mas Jowisza. Obiekty te nie krążą wokół gwiazdy, lecz swobodnie przemieszczają się w przestrzeni. Leżą więc na nieostrej granicy między planetami a „niedoszłymi gwiazdami” i pozwalają sprawdzać, jak małe ciało może powstać bezpośrednio w gwiezdnym żłobku. 1

Jak Webb dostrzegł tak słabe obiekty

IC 348 znajduje się około 1000 lat świetlnych od Ziemi, w obszarze formowania gwiazd w Perseuszu. Obserwacje w bliskiej podczerwieni pokazują tam młode gwiazdy, pył oraz źródła ukryte w obłokach gazu. Czułość Webba pozwala jednak wykryć także bardzo chłodne i słabo świecące obiekty podgwiazdowe. 1

Badanie przebiegało w dwóch etapach:

1. Obrazowanie kamerą NIRCam pozwoliło wytypować kandydatów na podstawie ich jasności i barw w podczerwieni. Młode, chłodne brązowe karły odróżniają się w takich danych od zwykłych gwiazd oraz wielu odległych źródeł tła.
2. Spektroskopia instrumentem NIRSpec umożliwiła dokładniejsze zbadanie wybranych kandydatów. Widma dostarczają oznak chłodnych, młodych atmosfer obiektów podgwiazdowych i pomagają oszacować ich właściwości, w tym masę.

Nowe obserwacje poszerzają wcześniejszy rezultat Webba z IC 348. W pierwszym przeglądzie znaleziono trzy swobodnie poruszające się brązowe karły o masach poniżej ośmiu mas Jowisza, w tym jeden szacowany na około trzy–cztery masy Jowisza. Głębsze badania uzupełniające ujawniły kolejne obiekty, których masy oceniono na około dwie masy Jowisza. 3

Dlaczego masa dwóch Jowiszów ma znaczenie

Brązowe karły mają zbyt małą masę, by przez długi czas podtrzymywać syntezę wodoru — proces zasilający zwykłe gwiazdy. Te masywniejsze mogą przejściowo spalać deuter, ale nie stają się stabilnymi gwiazdami świecącymi dzięki syntezie wodoru.

Najlżejsze obiekty z IC 348 są masą porównywalne z gazowymi olbrzymami. Sama masa nie rozstrzyga jednak ich nazwy. Ciało może przypominać planetę pod względem masy, lecz być określane jako brązowy karzeł albo obiekt o masie planetarnej, jeśli prawdopodobnie powstało podobnie jak gwiazda, a nie w dysku wokół niej.

To istotne rozróżnienie, ponieważ tradycyjne modele fragmentacji obłoków gazowych z trudem wyjaśniają tworzenie się izolowanych obiektów o masie zaledwie kilku Jowiszów. NASA podkreśla, że odkrycie stanowi wyzwanie dla modeli powstawania gwiazd. Obserwacje wyznaczają dolny zakres mas osiągany w IC 348, ale same nie wskazują jeszcze drogi, którą te obiekty powstały. 1

Szacunki masy nie są bezpośrednim pomiarem

Określenie „około dwóch mas Jowisza” to wynik wnioskowania, a nie bezpośredniego ważenia. W przypadku bardzo młodych brązowych karłów badacze zestawiają zmierzoną jasność i widma z modelami ewolucji, które przewidują, jak obiekt stygnie i słabnie z upływem czasu. Oszacowanie zależy więc od założeń dotyczących wieku oraz wczesnej ewolucji.

Najważniejszy wniosek brzmi zatem: w IC 348 są potwierdzone lub silnie poparte obserwacyjnie obiekty podgwiazdowe w skrajnie niskim zakresie mas. Nie oznacza to wyznaczenia idealnie ostrej granicy między planetą a brązowym karłem.

Dyski wokół obiektów o masie planetarnej

Dwa nowo rozpoznane obiekty w IC 348, o szacowanych masach około dwóch i 10 mas Jowisza, wykazują wyraźny nadmiar promieniowania podczerwonego związany z dyskami okołogwiazdowymi. Dyski te zawierają materię, z której potencjalnie mogą powstać planety lub księżyce.

Wniosek jest intrygujący: składniki potrzebne do formowania planet mogą występować wokół ciał, które same mają masy bliskie planetarnym. Nie jest to jednak dowód, że Webb zobaczył tam formujące się planety. Nadmiar promieniowania podczerwonego wskazuje na materiał dyskowy, ale planet w trakcie powstawania w tych układach nie sfotografowano bezpośrednio.

Gwiezdny żłobek pełen dżetów i fal uderzeniowych

Mozaika IC 348 to nie tylko spis brązowych karłów. Widać na niej także młode gwiazdy aktywnie zmieniające otoczenie za pomocą wypływów materii, które uderzają w gaz i pył. NASA zwraca uwagę na silne dżety wyrzucane przez nowo narodzone gwiazdy.

Zderzenia te tworzą obiekty Herbiga–Haro — świecące struktury fal uderzeniowych powstające tam, gdzie wypływy gwiazdowe trafiają w otaczającą materię. Szerszy widok obejmuje między innymi HH 797 i HH 211. Mozaika pokazuje dzięki temu kilka etapów narodzin gwiazd jednocześnie: osłonięte pyłem protogwiazdy, wyłaniające się młode gwiazdy, wypływy, dyski oraz najsłabsze swobodnie poruszające się obiekty podgwiazdowe.

Zagadka atmosfer na samym dole skali mas

Widma części skrajnie lekkich brązowych karłów pokazują również absorpcję przypisywaną niezidentyfikowanemu węglowodorowi alifatycznemu. Podobną cechę przy długości fali 3,4 mikrometra odnotowano wcześniej w ośrodku międzygwiazdowym oraz w atmosferach Saturna i Tytana. 714

Badacze sugerowali, że nietypowe zachowanie widm może uzasadniać nową klasę dla takich źródeł. Zarówno dokładna identyfikacja cząsteczki, jak i ewentualna klasyfikacja pozostają jednak nierozstrzygnięte. To wskazówka, a nie ostateczna odpowiedź na pytanie o chemię i atmosfery najmniejszych znanych swobodnie poruszających się brązowych karłów. 9

Co zmienia IC 348

Webb przesunął obserwowaną dolną granicę mas swobodnie poruszających się brązowych karłów w IC 348: z wcześniejszych trzech–czterech mas Jowisza do około dwóch mas Jowisza. Odkrycie pokazuje, że regiony formowania gwiazd potrafią wytwarzać obiekty w zakresie mas kojarzonym dotąd głównie z planetami. Dyski i niezwykłe widma otwierają zarazem nowe pytania o ich pochodzenie oraz ewolucję.

Kolejnym zadaniem nie będzie wyłącznie odnajdywanie jeszcze słabszych obiektów. Trzeba ustalić, czy powstają one wskutek bezpośredniego zapadania się obłoku, dynamicznego wyrzucenia z młodych układów, fragmentacji dysku, czy też więcej niż jednym z tych mechanizmów — oraz czy ich dyski mogą ostatecznie zbudować wokół nich mniejsze światy.