На этом изображении, полученном инструментом NIRCam (камера ближнего инфракрасного диапазона) космического телескопа Джеймса Уэбба NASA/ESA/CSA, показана центральная часть звездного скопления IC 348. Астрономы прочесали скопление в поисках крошечных, свободно плавающих коричневых карликов: объектов слишком мала, чтобы быть звездой, но больше, чем большинство планет. Они нашли трех коричневых карликов, масса которых менее чем в восемь раз превышает массу Юпитера. Самый маленький из них весит всего в три-четыре раза больше Юпитера, что бросает вызов теориям звездообразования. Тонкие занавески, заполняющие изображение, представляют собой межзвездный материал, отражающий свет звезд скопления, — так называемую отражательную туманность. В состав материала также входят углеродсодержащие молекулы, известные как полициклические ароматические углеводороды или ПАУ. Яркая звезда, ближайшая к центру кадра, на самом деле представляет собой пару звезд типа B в двойной системе, самых массивных звезд в скоплении. Ветры от этих звезд могут помочь создать большую петлю, видимую в правой части поля зрения. Фото: Астрономический журнал (2023 г.). DOI: 10.3847/1538-3881/ad00b7
Коричневых карликов иногда называют несостоявшимися звездами, поскольку они формируются как звезды в результате гравитационного коллапса, но никогда не набирают достаточно массы, чтобы зажечь ядерный синтез. Самые маленькие коричневые карлики могут перекрываться по массе с планетами-гигантами. В поисках самого маленького коричневого карлика астрономы, использующие космический телескоп имени Джеймса Уэбба НАСА/ЕКА/ККА, нашли нового рекордсмена: объект, масса которого всего в три-четыре раза превышает массу Юпитера.
Коричневые карлики — это объекты, которые находятся на границе между звездами и планетами. Они формируются подобно звездам, становясь достаточно плотными, чтобы коллапсировать под действием собственной гравитации, но они никогда не становятся достаточно плотными и горячими, чтобы начать синтезировать водород и превратиться в звезду. На нижнем конце шкалы некоторые коричневые карлики сравнимы с планетами-гигантами, их масса всего в несколько раз превышает массу Юпитера.
Астрономы пытаются определить самый маленький объект, который может образоваться подобно звезде. Международная группа, использующая космический телескоп Джеймса Уэбба NASA/ESA/CSA, определила нового рекордсмена: крошечного свободно плавающего коричневого карлика, масса которого всего в три-четыре раза превышает массу Юпитера.
«Один основной вопрос, который вы найдете в каждом учебнике по астрономии: какие звезды самые маленькие? Это то, на что мы пытаемся ответить», — объяснил ведущий автор Кевин Луман из Университета штата Пенсильвания.
Чтобы найти этого новообретенного коричневого карлика, Луман и его коллега Катарина Алвес де Оливейра решили изучить звездное скопление IC 348, расположенное примерно в 1000 световых годах от нас в области звездообразования Персея. Это скопление молодое, ему всего около пяти миллионов лет. В результате любые коричневые карлики по-прежнему будут относительно яркими в инфракрасном свете, светясь от тепла своего образования.
Команда сначала сфотографировала центр скопления, используя NIRCam Уэбба (камеру ближнего инфракрасного диапазона), чтобы идентифицировать кандидатов в коричневые карлики по их яркости и цветам. Они отслеживали наиболее многообещающие цели, используя микрозатворную решетку Уэбба NIRSpec (ближний инфракрасный спектрограф).
Инфракрасная чувствительность Уэбба сыграла решающую роль, позволив команде обнаруживать более слабые объекты, чем наземные телескопы. Кроме того, острое зрение Уэбба позволило им определить, какие красные объекты являются точечными коричневыми карликами, а какие — туманными фоновыми галактиками.
Этот процесс отсеивания привел к появлению трех интригующих целей весом от трех до восьми масс Юпитера с температурой поверхности от 830 до 1500 градусов по Цельсию. Согласно компьютерным моделям, самый маленький из них весит всего в три-четыре раза больше Юпитера.
Объяснить, как мог образоваться такой маленький коричневый карлик, теоретически сложно. Тяжелое и плотное облако газа обладает достаточной гравитацией, чтобы схлопнуться и образовать звезду. Однако из-за более слабой гравитации небольшому облаку должно быть труднее схлопнуться и образовать коричневого карлика, и это особенно верно для коричневых карликов с массами планет-гигантов.
«Современным моделям довольно легко создать планеты-гиганты в диске вокруг звезды», — сказала Катарина Алвес де Оливейра из ЕКА, главный исследователь программы наблюдений. «Но в этом скоплении маловероятно, чтобы этот объект сформировался в диске, а сформировался как звезда, а масса Юпитера в триста раз меньше массы нашего Солнца. Поэтому мы должны задаться вопросом, как происходит процесс звездообразования при такие очень, очень маленькие массы?»
Помимо предоставления подсказок о процессе звездообразования, крошечные коричневые карлики также могут помочь астрономам лучше понять экзопланеты. Наименее массивные коричневые карлики перекрываются с самыми большими экзопланетами; следовательно, можно ожидать, что они будут иметь некоторые схожие свойства. Однако свободно плавающий коричневый карлик изучать легче, чем гигантскую экзопланету, поскольку последняя скрыта в сиянии своей родительской звезды.
Два из коричневых карликов, идентифицированных в этом обзоре, имеют спектральную подпись неопознанного углеводорода — молекулы, содержащей атомы водорода и углерода. Такая же инфракрасная сигнатура была обнаружена миссией НАСА Кассини в атмосферах Сатурна и его спутника Титана. Его также видели в межзвездной среде, газе между звездами.
Изображение звездного скопления и туманности с тремя деталями изображения, вытянутыми в квадратные рамки, расположенные вертикально справа. На основном изображении видны тонкие розово-фиолетовые волокна и россыпь звезд. Каждый из трех прямоугольников справа соответствует небольшой детали, пронумерованной и обведенной кружком, на основном изображении. Рамка 1 (вверху): Деталь в левом нижнем углу основного изображения показывает пару маленьких круглых розовато-белых пятен на желтовато-коричневом фоне. Рамка 2 (в центре): Деталь в середине нижней части основного изображения показывает единственное маленькое круглое розоватое пятно на желтовато-коричневом фоне. Рамка 3: Деталь в правом нижнем углу основного изображения показывает небольшое круглое розоватое пятно на темно-коричневом фоне. Авторы и права: НАСА, ЕКА, ККА, STScI, К. Луман (Университет штата Пенсильвания) и К. Алвес де Оливейра (Европейское космическое агентство).
«Это первый раз, когда мы обнаружили эту молекулу в атмосфере объекта за пределами нашей солнечной системы», — объяснил Алвес де Оливейра. «Модели атмосфер коричневых карликов не предсказывают его существование. Мы смотрим на объекты с более молодым возрастом и меньшей массой, чем когда-либо прежде, и видим что-то новое и неожиданное».
Поскольку массы объектов находятся в пределах диапазона масс планет-гигантов, возникает вопрос, действительно ли они являются коричневыми карликами или, по сути, планетами-изгоями, выброшенными из планетных систем. Хотя команда не может исключить последнее, они утверждают, что они, скорее всего, являются коричневыми карликами, чем выброшенными планетами.
Выброшенная планета-гигант маловероятна по двум причинам. Во-первых, такие планеты вообще необычны по сравнению с планетами с меньшей массой. Во-вторых, большинство звезд — это звезды малой массы, и среди этих звезд особенно редки планеты-гиганты. В результате маловероятно, что большинство звезд IC 348 (которые являются звездами малой массы) способны производить такие массивные планеты. Кроме того, поскольку скоплению всего пять миллионов лет, вероятно, планетам-гигантам не хватило времени на формирование и затем изгнание из своих систем.
Обнаружение большего количества таких объектов поможет прояснить их статус. Теории предполагают, что планеты-изгои с большей вероятностью будут найдены на окраинах звездного скопления, поэтому расширение области поиска может идентифицировать их, если они существуют в пределах IC 348.
Будущая работа может также включать более длительные исследования, которые смогут обнаружить более тусклые и меньшие объекты. Ожидалось, что короткий обзор, проведенный командой, обнаружит объекты размером в два раза больше Юпитера. Более длительные исследования могут легко достичь массы одной Юпитера.
Эти наблюдения были проведены в рамках программы гарантированного времени наблюдения № 1229. Результаты были опубликованы в The Astronomical Journal.
