Webb hittar rekordlätta bruna dvärgar i IC 348

James Webb-teleskopet har i den unga stjärnbildningsregionen IC 348 hittat bruna dvärgar med uppskattade massor ned mot ungefär två gånger Jupiters massa. Objekten svävar fritt i rymden och hamnar i gränslandet mellan planeter och misslyckade stjärnor. Därför är de viktiga testfall för frågan om hur små kroppar som kan bildas direkt i ett stjärnuppfödningsområde. 1

Så kunde Webb se de extremt svaga objekten

IC 348 ligger omkring 1 000 ljusår bort i Perseus stjärnbildningsområde. Webbs stora vy i nära infrarött ljus fångar både unga, ljusstarka stjärnor, stoft och inbäddade källor – men teleskopets känslighet gör också mycket svala och ljussvaga substellära objekt synliga. 1

Observationerna genomfördes i två steg:

1. NIRCam, Webbs kamera för nära infrarött ljus, mätte kandidaternas infraröda ljusstyrka och färger. Unga, svala bruna dvärgar avviker i sådana data från vanliga stjärnor och många bakgrundskällor.
2. NIRSpec, teleskopets spektrograf för nära infrarött ljus, studerade sedan utvalda kandidater mer detaljerat. Spektra ger belägg för svala, unga substellära atmosfärer och hjälper forskarna att uppskatta bland annat massan.

Arbetet bygger vidare på en tidigare Webb-studie av IC 348. Den första sökningen fann tre fritt svävande bruna dvärgar under åtta Jupiter-massor, där den minsta uppskattades till omkring tre till fyra Jupiter-massor. I den djupare uppföljningen hittades nya medlemmar med uppskattade massor nära två Jupiter-massor. 3

Varför två Jupiter-massor är anmärkningsvärt

Bruna dvärgar är för lätta för att kunna upprätthålla fusion av väte, processen som driver vanliga stjärnor. De mer massiva kan under en begränsad tid fusionera deuterium, men de blir aldrig långlivade väteförbrännande stjärnor.

De lättaste objekten i IC 348 har massor som kan jämföras med gasjätteplaneter. Men de kretsar inte kring en stjärna. I detta massområde avgör massan ensam inte vad ett objekt kallas: en kropp kan vara planetlik i massa men beskrivas som en brun dvärg eller ett objekt med planetmassa om dess ursprung bedöms likna stjärnbildning snarare än planetbildning i en skiva.

Det är en avgörande skillnad, eftersom etablerade modeller för fragmentering av gasmoln har svårt att skapa isolerade objekt på bara några Jupiter-massor. NASA beskriver de nya fynden som en utmaning för modeller av stjärnbildning. Observationerna begränsar den lägsta massa som nåtts i IC 348, men avslöjar inte i sig vilken bildningsväg objekten har tagit. 1

Massorna är uppskattningar, inte direkta vägningar

Uppgiften ”omkring två Jupiter-massor” är en härledd uppskattning. För mycket unga bruna dvärgar kombinerar forskarna uppmätt ljusstyrka och spektra med utvecklingsmodeller som beskriver hur objekten svalnar och bleknar över tid. Resultatet beror därför bland annat på antaganden om ålder och den tidiga utvecklingen.

Det viktiga är alltså att IC 348 innehåller bekräftade eller starkt stödda substellära medlemmar i ett extremt lågt massintervall – inte att observationerna har dragit en exakt, slutgiltig gräns mellan planeter och bruna dvärgar.

Skivor kring objekt med planetlik massa

Två nyidentifierade medlemmar i IC 348, med uppskattade massor på ungefär två respektive tio Jupiter-massor, uppvisar ett tydligt överskott av infraröd strålning som kopplas till omgivande skivor. Skivorna innehåller material som i princip skulle kunna ge upphov till planeter eller månar.

Det är en slående möjlighet: förutsättningar för planetbildning kan finnas runt kroppar som själva ligger nära planeternas massområde. Men fyndet är inte ett bevis för att Webb har sett planeter bildas runt dem. Det infraröda överskottet visar skivmaterial; inga växande planeter har avbildats direkt i systemen.

Jetstrålar och chockvågor i ett aktivt stjärnuppfödningsområde

Mosaiken av IC 348 är mer än en inventering av bruna dvärgar. Den visar också unga stjärnor som formar om sin omgivning med utflöden som kolliderar med gas och stoft. NASA lyfter fram kraftfulla jetstrålar från nyfödda stjärnor som ett av bildens tydliga inslag.

Kollisionerna skapar Herbig–Haro-objekt: lysande chockstrukturer som uppstår när stjärnors utflöden träffar materialet omkring dem. I den bredare vyn syns bland annat HH 797 och HH 211. Tillsammans ger de en ögonblicksbild av flera skeden i stjärnfödseln: inbäddade protostjärnor, framträdande unga stjärnor, utflöden, skivor och de svagaste fritt svävande substellära objekten.

Ett kemiskt mysterium i de lättaste atmosfärerna

Spektra från några av de extremt lågmassiva bruna dvärgarna visar också absorption som förknippas med ett oidentifierat alifatiskt kolväte. En liknande absorptionssignal vid 3,4 mikrometer har tidigare rapporterats i det interstellära mediet och i atmosfärerna hos Saturnus och Titan. 714

Forskare har föreslagit att det ovanliga spektrala beteendet kan motivera en ny klassificering av dessa källor. Men varken molekylens exakta identitet eller någon ny klass är fastställd. Signalen är därför en ledtråd, inte ett slutgiltigt svar, om kemin och atmosfärerna hos de minsta kända fritt svävande bruna dvärgarna. 9

Vad fyndet förändrar

Webb har flyttat den observerade nedre gränsen för fritt svävande bruna dvärgar i IC 348 från det tidigare resultatet på tre till fyra Jupiter-massor till omkring två Jupiter-massor. Upptäckten visar att stjärnbildningsregioner kan skapa objekt i ett massintervall som tidigare främst förknippats med planeter. Skivorna och de ovanliga spektra väcker samtidigt nya frågor om hur sådana objekt bildas och utvecklas.

Nästa steg är inte enbart att hitta ännu svagare objekt, utan att avgöra om de bildades genom direkt kollaps i gasmoln, kastades ut från unga system, uppstod genom fragmentering i skivor – eller genom flera olika processer. En annan öppen fråga är om deras skivor på sikt kan bygga mindre världar omkring dem.