Самый маленький коричневый карлик найден с помощью телескопа Джеймс Уэбб

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 горячими, чтобы начать синтезировать водород и превратиться в звезду.

На нижнем конце шкалы масс некоторые коричневые карлики сравнимы с планетами-гигантами, их масса всего в несколько раз превышает массу Юпитера.

Какие звезды самые маленькие?

Астрономы пытаются определить самый маленький объект, который может образоваться подобно звезде. Команда ученых, использующая космический телескоп Джеймс Уэбб, определила нового рекордсмена: небольшого 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? Вот на что мы пытаемся ответить», — объяснил ведущий автор Кевин Луман из Университета Пенсильвании.

Стратегия поиска

Чтобы найти этого коричневого карлика, астрономы решили изучить звездное скопление IC 348, расположенное примерно в 1000 световых годах от нас в области звездообразования Персея.

Это скопление молодое, ему всего около 5 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 с помощью NIRCam Уэбба (камеры ближнего инфракрасного диапазона), чтобы идентифицировать кандидатов в коричневые карлики по их яркости и цвета. Они исследовали наиболее многообещающие цели, используя NIRSpec (спектрограф ближнего инфракрасного диапазона) матрицу с микрозатворами.

Инфракрасная чувствительность Уэбба сыграла решающую роль, позволив обнаруживать более слабые объекты, чем могут наземные телескопы. Кроме того, острое зрение Уэбба позволило определить, какие красные объекты являются точечными коричневыми карликами, а какие — туманными фоновыми галактиками.

Этот процесс отсеивания привел к появлению трех интригующих целей массой 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 (Европейского космического агентства), главный исследователь программы наблюдений. «Но в этом скоплении маловероятно, что этот объект образовался в виде диска, а сформировался как звезда, учитывая, что масса Юпитера в 300 раза меньше массы нашего Солнца. Поэтому мы должны задаться вопросом, как происходит процесс звездообразования при таких очень, очень малых массах?»

Загадочная молекула

Помимо того, что крошечные коричневые карлики могут дать подсказки о процессе звездообразования, они 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.

При этом свободно плавающий коричневый карлик изучать легче, чем гигантскую экзопланету, поскольку последняя скрыта в сиянии своей родительской звезды.

Двое из коричневых карликов, идентифицированных в этом обзоре, демонстрируют спектральную подпись неопознанного углеводорода или молекулы, содержащей атомы водорода и углерода. Такая же инфракрасная сигнатура была обнаружена миссией НАСА Кассини в атмосферах Сатурна и его спутника Титана. Ее также видели в межзвездной среде или газе между звездами.

«Это первый раз, когда мы обнаружили эту молекулу в атмосфере объекта за пределами нашей Солнечной системы», — объяснила Катарина Оливейра. «Модели атмосфер коричневых карликов не предсказывают ее существование. Мы смотрим на объекты более молодого возраста и меньшей массы, чем когда-либо прежде, и видим что-то новое и неожиданное».

Коричневый карлик или планета-изгой?

Поскольку массы объектов находятся в диапазоне масс планет-гигантов, возникает вопрос, являются ли они на самом деле коричневыми карликами или это действительно планеты-изгои, выброшенные из планетных систем. Хотя команда не может исключить последнее, они утверждают, что это скорее коричневый карлик, чем выброшенная планета.

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 5 миллионов лет, планетам-гигантам, вероятно, не хватило времени, чтобы сформироваться и затем быть выброшенными 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 одной массы Юпитера.

Результаты были опубликованы в Астрономическом журнале.