«Уэбб» обнаружил в IC 348 коричневых карликов рекордно малой массы

Телескоп NASA «Джеймс Уэбб» обнаружил в молодой области звездообразования IC 348 свободно летящие коричневые карлики с оценочной массой примерно в две массы Юпитера. Эти объекты находятся на размытой границе между планетами и «несостоявшимися звёздами» и позволяют проверить, насколько малые тела способны рождаться непосредственно в звёздных яслях. 1

Как «Уэбб» увидел настолько тусклые объекты

IC 348 расположена примерно в 1 000 световых лет от Земли, в области звездообразования в созвездии Персея. В ближнем инфракрасном диапазоне «Уэбб» видит и яркие молодые звёзды, и пыль, и скрытые в ней источники — а его чувствительности хватает также на крайне холодные и тусклые субзвёздные тела. 1

Поиск проходил в два этапа:

1. Съёмка NIRCam. Камера ближнего инфракрасного диапазона измеряла яркость и цвета объектов. Молодые холодные коричневые карлики в таких данных отличаются от обычных звёзд и многих фоновых источников.
2. Спектроскопия NIRSpec. Для отобранных кандидатов получили более детальные спектры. Они дают признаки холодной молодой субзвёздной атмосферы и позволяют оценить физические параметры, включая массу.

Новые наблюдения развивают прежний результат «Уэбба» для IC 348. В первой работе были найдены три свободно летящих коричневых карлика легче восьми масс Юпитера, в том числе объект с оценкой около трёх—четырёх масс Юпитера. Более глубокое последующее исследование выявило новых членов скопления с оценками около двух масс Юпитера. 3

Почему важен объект массой в две массы Юпитера

Коричневые карлики — тела, которым не хватает массы для устойчивого термоядерного горения водорода, питающего обычные звёзды. Более массивные из них могут некоторое время сжигать дейтерий, однако долгоживущими звёздами с водородным синтезом они не становятся.

Самые лёгкие объекты IC 348 сопоставимы по массе с гигантскими планетами, но не обращаются вокруг звезды. В этом диапазоне одной массы недостаточно, чтобы выбрать название: тело может быть «планетным» по массе, но его называют коричневым карликом или объектом планетной массы, если предполагается происхождение, больше похожее на рождение звезды, чем на сборку планеты в диске.

Это существенно, поскольку стандартным моделям фрагментации газового облака трудно объяснить появление изолированных тел всего в несколько масс Юпитера. NASA отмечает, что новые находки бросают вызов моделям звездообразования. Наблюдения ограничивают минимальную массу объектов в IC 348, но сами по себе ещё не устанавливают сценарий их рождения. 1

Оценка массы не является прямым взвешиванием

Фраза «около двух масс Юпитера» означает расчётную, а не непосредственно измеренную массу. Для очень молодых коричневых карликов исследователи сопоставляют измеренные светимость и спектр с эволюционными моделями, описывающими остывание и угасание объекта со временем. Поэтому итоговая оценка зависит, в частности, от допущений о возрасте и ранней эволюции.

Корректнее воспринимать результат как надёжное свидетельство существования в IC 348 подтверждённых или хорошо обоснованных субзвёздных членов скопления в исключительно малом диапазоне масс, а не как точную границу между коричневыми карликами и планетами.

Диски у объектов планетной массы

У двух новых членов IC 348 с оценочными массами примерно две и десять масс Юпитера обнаружен заметный инфракрасный избыток, связанный с околозвёздными дисками. В таких дисках содержится вещество, из которого потенциально могут формироваться планеты или спутники.

Вывод примечателен: строительный материал для планет может присутствовать вокруг тел, которые сами близки к планетам по массе. Но это не свидетельство прямого наблюдения образования планет. Инфракрасный избыток указывает на материал диска; формирующихся планет в этих системах телескоп напрямую не зафиксировал.

Звёздные ясли с джетами и ударными волнами

Мозаика IC 348 — не только перепись коричневых карликов. На ней также видны молодые звёзды, меняющие своё окружение мощными выбросами вещества — джетами, которые сталкиваются с газом и пылью. NASA выделяет такие струи от новорождённых звёзд среди заметных деталей изображения.

При столкновениях возникают объекты Хербига—Аро — яркие ударные структуры. В общей картине видны, в частности, HH 797 и HH 211. Поэтому мозаика одновременно показывает несколько стадий звёздного рождения: скрытые протозвёзды, молодые формирующиеся звёзды, истечения вещества, диски и самые тусклые свободно летящие субзвёздные объекты.

Загадка атмосферы на нижней границе масс

В спектрах некоторых экстремально маломассивных коричневых карликов обнаружено поглощение, связанное с неидентифицированным алифатическим углеводородом. Похожее поглощение на длине волны 3,4 микрометра ранее отмечали в межзвёздной среде, а также в атмосферах Сатурна и Титана. 714

Исследователи допускают, что необычное спектральное поведение может потребовать отдельного класса для таких источников. Однако ни точная идентификация молекулы, ни новая классификация пока не утверждены. Эта особенность остаётся важной подсказкой о химии и атмосферах самых маломассивных известных свободно летящих коричневых карликов, но не окончательным объяснением. 9

Что меняет IC 348

«Уэбб» сдвинул наблюдаемую нижнюю границу масс свободно летящих коричневых карликов в IC 348: от прежних трёх—четырёх масс Юпитера до примерно двух. Открытие показывает, что области звездообразования способны производить объекты в диапазоне масс, который прежде связывали главным образом с планетами. Диски и необычные спектры одновременно ставят новые вопросы об их происхождении и развитии.

Следующая задача — не только обнаруживать ещё более слабые объекты. Астрономам предстоит выяснить, возникли ли они при прямом коллапсе газового облака, были выброшены из молодых кратных систем, сформировались вследствие фрагментации диска — или же в природе действуют сразу несколько механизмов. Не менее важен вопрос, могут ли их диски в итоге породить ещё меньшие миры.