Astronomen die gebruik maken van NASA's James Webb ruimtetelescoop hebben een bruine dwerg gevonden (een object dat zwaarder is dan Jupiter maar kleiner dan een ster) met een infrarode methaanemissie, waarschijnlijk veroorzaakt door energie in zijn bovenste atmosfeer. Dit is een onverwachte ontdekking omdat de bruine dwerg, W1935, koud is en geen gastheerster heeft; daarom is er geen duidelijke bron voor de energie in de bovenste atmosfeer. Het team speculeert dat de methaanemissie het gevolg kan zijn van processen die poollicht genereren. Deze bevindingen worden gepresenteerd op de 243e bijeenkomst van de American Astronomical Society in New Orleans.
Om het mysterie van de infrarode methaanemissie te verklaren, richtte het team zich op ons zonnestelsel. De emissie van methaan komt vaak voor bij gasreuzen zoals Jupiter en Saturnus. De verhitting van de bovenste atmosfeer die deze emissie aandrijft, wordt in verband gebracht met poollicht. Op aarde ontstaat poollicht wanneer energetische deeltjes die vanaf de zon de ruimte in worden geblazen, worden gevangen door het magnetische veld van de aarde. Ze storten neer in onze atmosfeer langs magnetische veldlijnen in de buurt van de polen van de aarde, botsen tegen gasmoleculen en creëren griezelige, dansende gordijnen van licht. Jupiter en Saturnus hebben vergelijkbare poollichtprocessen waarbij interactie met de zonnewind plaatsvindt, maar ze krijgen ook poollichtbijdragen van nabijgelegen actieve manen zoals Io (voor Jupiter) en Enceladus (voor Saturnus).
Voor geïsoleerde bruine dwergen zoals W1935 is de afwezigheid van een sterrenwind die bijdraagt aan het poollichtproces en die de extra energie in de bovenste atmosfeer verklaart die nodig is voor de methaanemissie, een mysterie. Het team vermoedt dat ofwel onverklaarde interne processen zoals de atmosferische verschijnselen van Jupiter en Saturnus, ofwel externe interacties met ofwel interstellair plasma of een nabijgelegen actieve maan, kunnen helpen om de emissie te verklaren.
Een detectiveverhaal
De ontdekking van het poollicht verliep als een detectiveverhaal. Een team onder leiding van Jackie Faherty, een astronoom aan het American Museum of Natural History in New York, kreeg tijd met de Webb-telescoop om 12 koude bruine dwergen te onderzoeken. Daaronder bevonden zich W1935, een object dat werd ontdekt door burgerwetenschapper Dan Caselden, die samenwerkt met het Backyard Worlds zooniverse project, en W2220, een object dat werd ontdekt met behulp van NASA's Wide Field Infrared Survey Explorer. Webb onthulde in prachtig detail dat W1935 en W2220 qua samenstelling bijna klonen van elkaar leken te zijn. Ze deelden ook dezelfde helderheid, temperaturen en spectrale kenmerken van water, ammoniak, koolmonoxide en kooldioxide. De opvallende uitzondering was dat W1935 emissie van methaan vertoonde, in tegenstelling tot de verwachte absorptie die bij W2220 werd waargenomen. Dit werd waargenomen op een aparte infrarode golflengte waarvoor Webb uniek gevoelig is.
"We verwachtten methaan te zien, omdat methaan overal in deze bruine dwergen voorkomt. Maar in plaats van licht te absorberen, zagen we juist het tegenovergestelde: Het methaan gloeide. Mijn eerste gedachte was: wat krijgen we nou? Waarom komt er methaan uit dit object?" zei Faherty. Het team gebruikte computermodellen om af te leiden wat er achter de emissie zou kunnen zitten. De modellen toonden aan dat W2220 een verwachte verdeling van energie door de atmosfeer had en koeler werd naarmate de hoogte toenam. W1935 daarentegen had een verrassend resultaat. Het beste model gaf de voorkeur aan een temperatuurinversie, waarbij de atmosfeer warmer werd naarmate de hoogte toenam. "Deze temperatuurinversie is echt een raadsel," zei Ben Burningham, een co-auteur van de Universiteit van Hertfordshire in Engeland en hoofdmodelleur van het werk. "We hebben dit soort fenomenen gezien bij planeten met een ster in de buurt die de stratosfeer kan verwarmen, maar het is vreemd om dit te zien bij een object zonder duidelijke externe warmtebron."
Aanwijzingen uit ons zonnestelsel
Voor aanwijzingen keek het team in onze eigen achtertuin, naar de planeten van ons zonnestelsel. De gasreuzen kunnen dienen als proxies voor wat er meer dan 40 lichtjaar verderop gebeurt in de atmosfeer van W1935. Het team realiseerde zich dat temperatuurinversies prominent aanwezig zijn op planeten als Jupiter en Saturnus. Er wordt nog steeds gewerkt aan het begrijpen van de oorzaken van hun stratosferische verwarming, maar toonaangevende theorieën voor het zonnestelsel omvatten externe verwarming door poollicht en intern energietransport van dieper in de atmosfeer (waarbij de eerste een toonaangevende verklaring is).
Dit is niet de eerste keer dat een noorderlicht wordt gebruikt om een waarneming van een bruine dwerg te verklaren. Astronomen hebben radio-emissie waargenomen die afkomstig was van verschillende warmere bruine dwergen en voerden poollicht aan als de meest waarschijnlijke verklaring. Er is met grondtelescopen zoals het Keck Observatorium gezocht naar infraroodsignaturen van deze radiostralende bruine dwergen om het fenomeen verder te karakteriseren, maar dit leverde geen uitsluitsel op. W1935 is de eerste poolkandidaat buiten het zonnestelsel die methaan uitstoot. Het is ook de koudste poolkandidaat buiten ons zonnestelsel, met een effectieve temperatuur van ongeveer 400 graden Fahrenheit (200 graden Celsius), ongeveer 600 graden Fahrenheit warmer dan Jupiter.
In ons zonnestelsel levert de zonnewind de belangrijkste bijdrage aan poollichtprocessen, waarbij actieve manen als Io en Enceladus een rol spelen voor planeten als Jupiter en Saturnus. W1935 heeft helemaal geen begeleidende ster, dus een stellaire wind kan niet bijdragen aan het verschijnsel. Of een actieve maan een rol speelt bij de methaanuitstoot op W1935 moet nog blijken. "Met W1935 hebben we nu een spectaculaire uitbreiding van een fenomeen in het zonnestelsel, zonder dat stellaire straling helpt bij de verklaring." Faherty merkte op. "Met Webb kunnen we de chemie echt 'opendoen' en uitpakken hoe vergelijkbaar of anders het poollichtproces buiten ons zonnestelsel kan zijn," voegde ze eraan toe.
De James Webb Space Telescope is 's werelds belangrijkste observatorium voor ruimtewetenschap. Webb lost mysteries op in ons zonnestelsel, kijkt verder naar verre werelden rond andere sterren en onderzoekt de mysterieuze structuren en oorsprong van ons universum en onze plaats daarin. Webb is een internationaal programma dat wordt geleid door NASA met zijn partners ESA (European Space Agency) en het Canadese ruimteagentschap.
Bron: NASA
