Webbův teleskop JWST objevil miniaturního hnědého trpaslíka

Vesmírný dalekohled NASA s názvem James Webb Space Telescope (JWST) objevil rekordního malého hnědého trpaslíka, který je jen třikrát až čtyřikrát větší než Jupiter. Toto zjištění zpochybňuje současné chápání tvorby hvězd a má důsledky pro studium exoplanet a klasifikaci těchto nebeských těles. Na připojeném obrázku je umělecký koncept hnědého trpaslíka.

Hnědí trpaslíci se někdy nazývají nepodařené hvězdy, protože se gravitačním kolapsem formují jako hvězdy, ale nikdy nezískají dostatek hmoty k zapálení jaderné fúze ve svém nitru. Nejmenší hnědí trpaslíci se mohou svojí hmotou překrývat s obřími planetami. Ve snaze najít nejmenšího hnědého trpaslíka astronomové pomocí vesmírného teleskopu Jamese Webba našli nového držitele rekordu: objekt jen tři až čtyřikrát větší než hmotnost Jupitera.

Hnědí trpaslíci jsou objekty, které se nacházejí na dělicí čáře mezi hvězdami a planetami. Tvoří se jako hvězdy, stávají se dostatečně hustými, aby se zhroutily vlastní gravitací, ale nikdy se nestanou dostatečně hustými a horkými, aby začaly spalovat vodík a aby se proměnily ve hvězdu. Na spodním konci stupnice jsou někteří hnědí trpaslíci srovnatelní s obřími planetami jen několikrát hmotnějšími než Jupiter.

Jaké jsou nejmenší hvězdy?
Astronomové se snaží určit nejmenší objekt, který může vzniknout hvězdným způsobem. Tým využívající vesmírný teleskop Jamese Webba identifikoval nového držitele rekordu: malého, volně putujícího hnědého trpaslíka s hmotností pouze třikrát až čtyřikrát větší než Jupiter. „Jedna základní otázka, kterou najdete v každé učebnici astronomie, je, jaké jsou nejmenší hvězdy? To je to, na co se snažíme odpovědět,“ vysvětlil hlavní autor Kevin Luhman z Pennsylvania State University.

Publikovaný snímek z přístroje NIRCam (Near-Infrared Camera) na vesmírném teleskopu Jamese Webba ukazuje centrální část hvězdokupy IC 348. Astronomové pročesávali hvězdokupu při hledání drobných, volně putujících hnědých trpaslíků: objektů příliš malých na to, aby byly hvězdami, ale větší než většina planet. Našli tři hnědé trpaslíky, kteří jsou méně než osmkrát větší než Jupiter, kteří jsou na hlavním snímku zakroužkovaní a zobrazení na detailních výsečích vpravo. Nejmenší váží jen troj- až čtyřnásobek Jupitera, což zpochybňuje teorie vzniku hvězd.

Jemné závěsy vyplňující obraz jsou mezihvězdným materiálem odrážejícím světlo hvězd kupy – to, co je známé jako reflexní mlhovina. Materiál také zahrnuje molekuly obsahující uhlík známé jako polycyklické aromatické uhlovodíky. Jasná hvězda nejblíže středu snímku je ve skutečnosti dvojice hvězd typu B v binárním systému, což jsou nejhmotnější hvězdy v kupě. Větry z těchto hvězd mohou pomoci vytvarovat velkou smyčku, která je vidět na pravé straně zorného pole.

Strategie vyhledávání
K nalezení tohoto nově objeveného hnědého trpaslíka se Luhman a jeho kolegyně Catarina Alves de Oliveira rozhodli studovat hvězdokupu IC 348, která se nachází asi 1000 světelných let daleko v oblasti tvorby hvězd Perseus. Tato kupa je mladá, stará jen asi 5 milionů let. V důsledku toho by případní hnědí trpaslíci byli stále relativně jasní v infračerveném světle, zářící žárem při jejich formování.

Tým nejprve zobrazil střed kupy pomocí Webbovy kamery NIRCam, aby identifikoval kandidáty na hnědé trpaslíky podle jejich jasu a barev. Posléze navázali na nejslibnější cíle pomocí Webbova spektrografu Near-Infrared Spectrograph.

Webbova citlivost v infračerveném oboru byla klíčová a umožnila týmu detekovat slabší objekty než pozemskými dalekohledy. Kromě toho jim Webbovo ostré vidění umožnilo určit, které červené objekty jsou hnědí trpaslíci a které galaxie v pozadí.

Tento postup vedl ke třem zajímavým cílům o hmotnosti tří až osmi Jupiterů s povrchovými teplotami v rozmezí 830 až 1 500 stupňů Celsia. Nejmenší z nich má hmotnost podle počítačových modelů pouze troj- až čtyřnásobek Jupitera.

Vysvětlení, jak mohl takový malý hnědý trpaslík vzniknout, je teoreticky náročné. Těžký a hustý oblak plynu má dostatek gravitace, aby se zhroutil a vytvořil hvězdu. Kvůli slabší gravitaci by však pro malý oblak mělo být obtížnější se zhroutit a vytvořit hnědého trpaslíka, a to platí zejména pro hnědé trpaslíky s hmotností obřích planet.

„Pro současné modely je docela snadné vytvořit obří planety v disku kolem hvězdy,“ řekla Catarina Alves de Oliveira z ESA, hlavní řešitelka pozorovacího programu. „Ale v této hvězdokupě by bylo nepravděpodobné, že by se tento objekt vytvořil v disku, místo toho se vytvořil jako hvězda a tři hmotnosti Jupitera je 300krát menší než naše Slunce. Musíme se tedy ptát, jak funguje proces tvorby hvězd při tak velmi malých hmotnostech?“

Tajemná molekula
Kromě toho, že drobní hnědí trpaslíci poskytují informace o procesu formování hvězd, mohou astronomům pomoci lépe porozumět exoplanetám. Nejméně hmotní hnědí trpaslíci se hmotnostně překrývají s největšími exoplanetami; proto by se očekávalo, že budou mít nějaké podobné vlastnosti. Nicméně volně putujícího hnědého trpaslíka je snazší studovat než obří exoplanetu, protože ta je skryta v záři své hostitelské hvězdy.

Dva z hnědých trpaslíků identifikovaných v tomto průzkumu ukazují spektrální podpis neidentifikovaného uhlovodíku nebo molekuly obsahující atomy vodíku i uhlíku. Stejný infračervený podpis byl detekován misí Cassini v atmosférách Saturnu a jeho měsíce Titan. To bylo také zjištěno v mezihvězdném prostředí.
„Je to poprvé, co jsme detekovali tuto molekulu v atmosféře objektu mimo Sluneční soustavu,“ vysvětlila Alves de Oliveira. „Modely pro atmosféry hnědého trpaslíka nepředpovídají její existenci. Díváme se na objekty mladšího věku a nižší hmotnosti než kdy předtím a vidíme něco nového a nečekaného.“

Hnědý trpaslík nebo toulavá planeta?
Vzhledem k tomu, že se objekty nacházejí v dosahu obřích planet, vyvolává to otázku, zda se skutečně jedná o hnědé trpaslíky, nebo zda to jsou toulavé planety, které byly vyvrženy z planetárních systémů. Zatímco tým nemůže vyloučit to druhé, tvrdí, že je mnohem pravděpodobnější, že budou hnědým trpaslíkem než vyvrženou planetou.

Vyvržená obří planeta je nepravděpodobná ze dvou důvodů. Za prvé, takové planety jsou obecně neobvyklé ve srovnání s planetami s menší hmotností. Za druhé, většina hvězd jsou stálice s nízkou hmotností a obří planety jsou mezi těmito hvězdami obzvláště vzácné. V důsledku toho je nepravděpodobné, že by většina hvězd v IC 348 (což jsou hvězdy s nízkou hmotností) byla schopna produkovat tak hmotné planety. Navíc, protože kupa je stará pouhých 5 milionů let, pravděpodobně nebylo dost času na to, aby se obří planety zformovaly a pak byly vyvrženy ze svých systémů.

Teprve objev více takových objektů pomůže objasnit jejich stav. Teorie naznačují, že toulavé planety se s větší pravděpodobností nacházejí na okraji hvězdokupy, takže rozšíření oblasti hledání je může identifikovat, pokud existují v IC 348.

Budoucí práce mohou také zahrnovat delší průzkumy, které mohou detekovat slabší, menší objekty. Očekávalo se, že krátký průzkum, který tým provedl, odhalí objekty o velikosti dvojnásobku hmotnosti Jupiteru. Delší průzkumy by mohly snadno dosáhnout jedné hmotnosti Jupitera.

Výsledky pozorování byly publikovány v časopise Astronomical Journal.

Zdroj: https://scitechdaily.com/nasas-webb-telescope-discovers-record-breaking-miniature-brown-dwarf/

autor: František Martinek