Bruine dwergen zijn objecten die het midden houden tussen sterren en planeten. Ze vormen zich als sterren en worden dicht genoeg om onder hun eigen zwaartekracht in elkaar te storten, maar ze worden nooit dicht en heet genoeg om waterstof te beginnen smelten en in een ster te veranderen. Aan de onderkant van de schaal zijn sommige bruine dwergen vergelijkbaar met reuzenplaneten, met een gewicht van slechts een paar keer de massa van Jupiter.
Wat zijn de kleinste sterren?
Astronomen proberen vast te stellen wat het kleinste object is dat zich kan vormen tot een ster. Een team dat gebruik maakt van NASA's James Webb ruimtetelescoop heeft de nieuwe recordhouder geïdentificeerd: een piepkleine, vrij zwevende bruine dwerg met slechts drie tot vier keer de massa van Jupiter. "Een basisvraag die in elk sterrenkundeboek staat is: wat zijn de kleinste sterren? Dat is wat wij proberen te beantwoorden," legt hoofdauteur Kevin Luhman van de Pennsylvania State University uit.
Zoekstrategie
Om deze nieuwe bruine dwerg te vinden, kozen Luhman en zijn collega Catarina Alves de Oliveira ervoor om de sterrenhoop IC 348 te bestuderen, die zich op ongeveer 1000 lichtjaar afstand in het Perseus-sterrenvormingsgebied bevindt. Deze sterrenhoop is jong, slechts ongeveer 5 miljoen jaar oud. Als gevolg daarvan zouden eventuele bruine dwergen nog relatief helder zijn in infrarood licht, gloeiend door de hitte van hun vorming. Het team heeft eerst het centrum van de cluster in beeld gebracht met de NIRCam (Near-Infrared Camera) van Webb om kandidaten voor bruine dwergen te identificeren aan de hand van hun helderheid en kleuren. Ze volgden de meest veelbelovende doelen op met Webb's NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) microshutter array.
De infraroodgevoeligheid van Webb was cruciaal, waardoor het team zwakkere objecten kon detecteren dan telescopen op de grond. Bovendien konden ze dankzij het scherpe zicht van Webb bepalen welke rode objecten precies bruine dwergen waren en welke blobby achtergrondstelsels waren. Dit uitdunproces leidde tot drie intrigerende doelen met een gewicht van drie tot acht Jupitermassa's en oppervlaktetemperaturen variërend van 1.500 tot 2.800 graden Fahrenheit (830 tot 1.500 graden Celsius). De kleinste weegt volgens computermodellen slechts drie tot vier keer Jupiter.
Het is een theoretische uitdaging om te verklaren hoe zo'n kleine bruine dwerg kan ontstaan. Een zware en dichte gaswolk heeft genoeg zwaartekracht om in elkaar te storten en een ster te vormen. Vanwege de zwakkere zwaartekracht zou het echter moeilijker moeten zijn voor een kleine wolk om in elkaar te storten en een bruine dwerg te vormen, en dat geldt vooral voor bruine dwergen met de massa's van reuzenplaneten. "Volgens de huidige modellen is het vrij eenvoudig om reuzenplaneten te maken in een schijf rond een ster", zegt Catarina Alves de Oliveira van ESA (European Space Agency), hoofdonderzoeker van het observatieprogramma. "Maar in deze cluster is het onwaarschijnlijk dat dit object zich in een schijf vormt, in plaats daarvan vormt het zich als een ster, en drie Jupitermassa's is 300 keer kleiner dan onze zon. We moeten ons dus afvragen hoe het stervormingsproces werkt bij zulke kleine massa's."
Een mysterieus molecuul
Behalve dat ze aanwijzingen geven over het stervormingsproces, kunnen kleine bruine dwergen astronomen ook helpen om exoplaneten beter te begrijpen. De minst massieve bruine dwergen overlappen met de grootste exoplaneten; daarom zou je verwachten dat ze vergelijkbare eigenschappen hebben. Een vrij zwevende bruine dwerg is echter makkelijker te bestuderen dan een reusachtige exoplaneet, omdat deze laatste verborgen blijft in de schittering van zijn gastheerster.
Twee van de bruine dwergen die in dit onderzoek zijn geïdentificeerd, vertonen de spectrale signatuur van een ongeïdentificeerde koolwaterstof, oftewel een molecuul dat zowel waterstof- als koolstofatomen bevat. Dezelfde infrarode signatuur werd door NASA's Cassini-missie waargenomen in de atmosferen van Saturnus en zijn maan Titan. Het is ook waargenomen in het interstellaire medium, of gas tussen sterren. "Dit is de eerste keer dat we deze molecule hebben ontdekt in de atmosfeer van een object buiten ons zonnestelsel," legt Alves de Oliveira uit. "Modellen voor de atmosfeer van bruine dwergen voorspellen het bestaan ervan niet. We kijken naar objecten met jongere leeftijden en lagere massa's dan ooit tevoren, en we zien iets nieuws en onverwachts."
Deze afbeelding van het NIRCam-instrument (Near-Infrared Camera) van NASA's James Webb Space Telescope toont
het centrale deel van de sterrenhoop IC 348. Astronomen hebben de sterrenhoop uitgekamd op zoek naar kleine,
vrij zwevende bruine dwergen: objecten die te klein zijn om een ster te zijn, maar groter dan de meeste planeten.
Ze vonden drie bruine dwergen die minder dan acht keer de massa van Jupiter hebben. Deze zijn omcirkeld
in de hoofdafbeelding en te zien in de gedetailleerde uitsneden rechts - Foto: NASA/ESA/CSA
Bruine dwerg of schurkenplaneet?
Aangezien de objecten zich ruim binnen het massabereik van reuzenplaneten bevinden, rijst de vraag of het echt bruine dwergen zijn, of dat het echt losgeslagen planeten zijn die uit planetenstelsels zijn gestoten. Hoewel het team het laatste niet kan uitsluiten, stellen ze dat het veel waarschijnlijker is dat het om een bruine dwerg gaat dan om een uitgestoten planeet.
Een uitgestoten reuzenplaneet is om twee redenen onwaarschijnlijk. Ten eerste zijn zulke planeten over het algemeen zeldzamer dan planeten met een kleinere massa. Ten tweede zijn de meeste sterren sterren met een lage massa en zijn reuzenplaneten onder die sterren bijzonder zeldzaam. Daarom is het onwaarschijnlijk dat de meeste sterren in IC 348 (die een lage massa hebben) in staat zijn om zulke massieve planeten voort te brengen. Bovendien is de sterrenhoop nog maar 5 miljoen jaar oud, waardoor er waarschijnlijk nog niet genoeg tijd is geweest voor reuzenplaneten om zich te vormen en uit hun systeem te worden gestoten. De ontdekking van meer van zulke objecten zal helpen om hun status op te helderen. Volgens theorieën is het waarschijnlijker dat rogue planeten aan de rand van een sterrenhoop worden gevonden, dus als het zoekgebied wordt uitgebreid, kunnen ze misschien worden geïdentificeerd als ze binnen IC 348 voorkomen.
In de toekomst kunnen ook langere onderzoeken worden uitgevoerd om zwakkere, kleinere objecten te detecteren. Het korte onderzoek dat het team heeft uitgevoerd, zou objecten detecteren die zo klein zijn als twee keer de massa van Jupiter. Langere onderzoeken zouden gemakkelijk één Jupitermassa kunnen bereiken.
Deze waarnemingen werden gedaan in het kader van het Guaranteed Time Observation-programma 1229. De resultaten zijn gepubliceerd in Astronomical Journal.
Bron: NASA
