Astronomer undersøger lagkagestrukturen af ​​brune dværge-atmosfære

Brune dværge er den kosmiske ækvivalent til tweeners. De er for massive til at være planeter og for små til at opretholde kernefusion i deres kerner, som driver stjerner. Mange brune dværge er nomadiske. De kredser ikke om stjerner, men driver blandt dem som ensomme.

Astronomer vil gerne vide, hvordan disse egensindige objekter er sat sammen. Deler de nogen form for slægtskab med oppustede gasgigantiske planeter som Jupiter? At studere brune dværge er meget vanskeligere end at studere Jupiter i nærheden for at lave sammenligninger. Vi kan sende rumfartøjer til Jupiter. Men astronomer skal se hen over mange lysår for at kigge ned i en brun dværgs atmosfære.

Forskere brugte det gigantiske W. M. Keck-observatorium på Hawaii til at observere en nærliggende brun dværg i infrarødt lys. I modsætning til Jupiter, den unge brune dværg er stadig så varm, at den lyser indefra og ud, og ligner et udskåret Halloween græskar. Fordi den brune dværg har spredte skyer, lyset, der skinner op fra dybt nede i dværgens atmosfære, svinger, som forskerne målte. De fandt ud af, at dværgens atmosfære har en lagkagestruktur med skyer med forskellig sammensætning i forskellige højder.

Jupiter kan være den bølleplanet i vores solsystem, fordi det er den mest massive planet. Men det er faktisk en runkel sammenlignet med mange af de gigantiske planeter, der findes omkring andre stjerner.

Disse fremmede verdener, kaldet super-Jupiters, veje op til 13 gange Jupiters masse. Astronomer har analyseret sammensætningen af ​​nogle af disse monstre. Men det har været vanskeligt at studere deres atmosfærer i detaljer, fordi disse gasgiganter farer vild i blændingen fra deres forældrestjerner.

Forskere, imidlertid, har en erstatning:atmosfæren af ​​brune dværge, såkaldte mislykkede stjerner, der er op til 80 gange Jupiters masse. Disse tunge genstande dannes ud af en kollapsende sky af gas, som stjerner gør, men mangler massen til at blive varm nok til at opretholde kernefusion i deres kerner, som driver stjerner.

I stedet, brune dværge deler et slægtskab med super-Jupiters. Begge typer objekter har lignende temperaturer og er ekstremt massive. De har også komplekse, varierede atmosfærer. Den eneste forskel, astronomer tænker, er deres stamtavle. Super-Jupiter dannes omkring stjerner; brune dværge dannes ofte isoleret.

Et hold af astronomer, ledet af Elena Manjavacas fra Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland, har testet en ny måde at kigge gennem skylagene af disse nomadiske objekter. Forskerne brugte et instrument ved W. M. Keck Observatory på Hawaii til i nær-infrarødt lys at studere farverne og lysstyrkevariationerne af lagkageskystrukturen i det nærliggende, fritsvævende brun dværg kendt som 2MASS J22081363+2921215.

Keck Observatory instrumentet, kaldet Multi-Object Spectrograph for Infrared Exploration (MOSFIRE), analyserede også de spektrale fingeraftryk af forskellige kemiske grundstoffer indeholdt i skyerne, og hvordan de ændrer sig med tiden. Det er første gang, astronomer har brugt MOSFIRE-instrumentet i denne type undersøgelse.

Disse målinger gav Manjavacas et holistisk syn på den brune dværgs atmosfæriske skyer, giver flere detaljer end tidligere observationer af dette objekt. Pioneret af Hubble-observationer, denne teknik er vanskelig for jordbaserede teleskoper at udføre på grund af forurening fra Jordens atmosfære, som absorberer visse infrarøde bølgelængder. Denne absorptionshastighed ændres på grund af vejret.

"Den eneste måde at gøre dette på fra jorden er at bruge MOSFIRE-instrumentet i høj opløsning, fordi det giver os mulighed for at observere flere stjerner samtidigt med vores brune dværg, " Manjavacas forklarede. "Dette giver os mulighed for at korrigere for forurening introduceret af Jordens atmosfære og måle det sande signal fra den brune dværg med god præcision. Så, disse observationer er et bevis på, at MOSFIRE kan udføre disse typer undersøgelser af brun-dværg atmosfærer."

Manjavacas vil præsentere sine resultater den 9. juni på en pressekonference ved det virtuelle møde i American Astronomical Society.

Forskeren besluttede at studere netop denne brune dværg, fordi den er meget ung og derfor ekstremt lys og ikke er kølet af endnu. Dens masse og temperatur ligner dem på den nærliggende kæmpe exoplanet Beta Pictoris b, opdagede i 2008 nær-infrarøde billeder taget af European Southern Observatory's Very Large Telescope i det nordlige Chile.

"Vi har endnu ikke mulighed for med den nuværende teknologi at analysere atmosfæren i Beta Pictoris b i detaljer, " sagde Manjavacas. "Så, vi bruger vores undersøgelse af denne brune dværgs atmosfære som en proxy for at få en idé om, hvordan exoplanetens skyer kan se ud i forskellige højder af dens atmosfære."

Både den brune dværg og Beta Pictoris b er unge, så de udstråler varme kraftigt i det nær-infrarøde. De er begge medlemmer af en flok af stjerner og substjerneobjekter kaldet Beta Pictoris-bevægelsesgruppen, som deler samme oprindelse og en fælles bevægelse gennem rummet. Gruppen, som er omkring 33 millioner år gammel, er den tætteste gruppe af unge stjerner til Jorden. Det er placeret omkring 115 lysår væk.

Mens de er køligere end bona fide stjerner, brune dværge er stadig ekstremt varme. Den brune dværg i Manjavacas' undersøgelse er en sydende 2, 780 grader Fahrenheit (1, 527 grader Celsius).

Det gigantiske objekt er omkring 12 gange tungere end Jupiter. Som ung krop, det drejer utrolig hurtigt, at gennemføre en rotation hver 3,5 time, sammenlignet med Jupiters 10-timers rotationsperiode. Så, skyer pisker det, skabe en dynamik, turbulent atmosfære.

Keck Observatorys MOSFIRE-instrument stirrede på den brune dværg i 2,5 timer, se, hvordan lyset, der filtrerer op gennem atmosfæren fra dværgens varme indre, lysner og dæmpes med tiden. Lyse pletter, der vises på det roterende objekt, angiver områder, hvor forskere kan se dybere ned i atmosfæren, hvor det er varmere. Infrarøde bølgelængder gør det muligt for astronomer at kigge dybere ned i atmosfæren. Observationerne tyder på, at den brune dværg har en plettet atmosfære med spredte skyer. Hvis det ses tæt på, det kan ligne et udskåret Halloween græskar, med lys, der slipper ud af dens varme indre.

Dens spektrum afslører skyer af varme sandkorn og andre eksotiske elementer. Kaliumiodid sporer objektets øvre atmosfære, som også omfatter magnesiumsilikatskyer. Bevæger sig ned i atmosfæren er et lag af natriumiodid og magnesiumsilikatskyer. Det sidste lag består af aluminiumoxidskyer. Atmosfærens samlede dybde er 446 miles (718 kilometer). De påviste grundstoffer repræsenterer en typisk del af sammensætningen af ​​brune dværg atmosfærer, sagde Manjavacas.

Forskeren og hendes team brugte computermodeller af brune dværg-atmosfærer til at bestemme placeringen af ​​de kemiske forbindelser i hvert skylag.

Manjavacas' plan er at bruge Keck Observatorys MOSFIRE til at studere andre atmosfærer af brune dværge og sammenligne dem med gasgiganters. Fremtidige teleskoper såsom NASAs James Webb Space Telescope, et infrarødt observatorium, der er planlagt til at lancere senere i år, vil give endnu mere information om en brun dværgs atmosfære. "JWST vil give os strukturen af ​​hele atmosfæren, giver mere dækning end noget andet teleskop, " sagde Manjavacas.

Forskeren håber, at MOSFIRE kan bruges sammen med JWST til at prøve en bred vifte af brune dværge. Målet er en bedre forståelse af brune dværge og gigantiske planeter.