Met behulp van gegevens van NASA's Spitzer Space Telescope, wetenschappers hebben de drie snelst draaiende bruine dwergen geïdentificeerd die ooit zijn gevonden. Massiever dan de meeste planeten, maar niet zwaar genoeg om te ontbranden als sterren, bruine dwergen zijn kosmische tussenpersonen. En hoewel ze voor de meeste mensen niet zo bekend zijn als sterren en planeten, men denkt dat ze in de miljarden in onze melkweg tellen.

In een studie die verschijnt in de Astronomisch tijdschrift , het team dat de nieuwe snelheidsmetingen heeft gedaan, beweert dat deze drie snelle rotators een snelheidslimiet voor alle bruine dwergen zouden kunnen naderen, waarboven ze uit elkaar zouden vallen. De snel roterende bruine dwergen hebben allemaal ongeveer dezelfde diameter als Jupiter, maar tussen de 40 en 70 keer massiever. Ze draaien elk ongeveer een keer per uur, terwijl de op één na snelst bekende bruine dwergen ongeveer eens per 1,4 uur draaien en Jupiter eenmaal per 10 uur draait. Op basis van hun grootte, dat betekent dat de grootste van de drie bruine dwergen rondzweept met meer dan 60 mijl per seconde (100 kilometer per seconde), of ongeveer 220, 000 mijl per uur (360, 000 kilometer per uur).

De snelheidsmetingen zijn gedaan met behulp van gegevens van Spitzer, waarmee NASA in januari 2020 met pensioen ging. (De bruine dwergen werden ontdekt door de op de grond gebaseerde Two Micron All Sky Survey, of 2MASS, die liep tot 2001.) Het team bevestigde vervolgens hun ongewone bevindingen door observaties met de op de grond gebaseerde Gemini North- en Magellan-telescopen.

Bruine dwergen, zoals sterren of planeten, draaien al als ze zich vormen. Terwijl ze afkoelen en samentrekken, ze draaien sneller, net als wanneer een draaiende schaatser haar armen in haar lichaam trekt. Wetenschappers hebben de spinsnelheden van ongeveer 80 bruine dwergen gemeten, en ze variëren van minder dan twee uur (inclusief de drie nieuwe vermeldingen) tot tientallen uren.

Met zoveel variatie tussen de bruine dwergsnelheden die al zijn gemeten, het verbaasde de auteurs van de nieuwe studie dat de drie snelste bruine dwergen die ooit zijn gevonden, bijna exact dezelfde draaisnelheid hebben (ongeveer één volledige rotatie per uur) als elkaar. Dit kan niet worden toegeschreven aan het feit dat de bruine dwergen samen zijn gevormd of zich in hetzelfde ontwikkelingsstadium bevinden, omdat ze fysiek verschillend zijn:de ene is een warme bruine dwerg, een is koud, en de andere valt tussen hen in. Omdat bruine dwergen afkoelen naarmate ze ouder worden, de temperatuurverschillen suggereren dat deze bruine dwergen verschillende leeftijden hebben.

De auteurs schrijven dit niet aan toeval toe. Ze denken dat de leden van het snelle trio allemaal een snelheidslimiet hebben bereikt, waarboven een bruine dwerg uit elkaar zou kunnen vallen.

Alle roterende objecten genereren middelpuntzoekende kracht, die toeneemt naarmate het object sneller draait. Tijdens een carnavalsrit, deze kracht kan renners van hun stoel dreigen te gooien; in sterren en planeten, het kan het object uit elkaar scheuren. Voordat een draaiend object uit elkaar valt, het zal vaak rond zijn buik gaan uitpuilen als het onder de druk vervormt. Wetenschappers noemen dit oblatie. Saturnus, die eens in de 10 uur draait zoals Jupiter, heeft een waarneembare oblatie. Op basis van de bekende kenmerken van de bruine dwergen, ze hebben waarschijnlijk vergelijkbare graden van oblatie, volgens de papierschrijvers.

De snelheidslimiet bereiken

Aangezien bruine dwergen de neiging hebben sneller te worden naarmate ze ouder worden, overschrijden deze objecten regelmatig hun toerentallimiet en worden ze uit elkaar gescheurd? In andere roterende kosmische objecten, als sterren, er zijn natuurlijke remmechanismen die voorkomen dat ze zichzelf vernietigen. Het is nog niet duidelijk of soortgelijke mechanismen bestaan ​​bij bruine dwergen.

"Het zou behoorlijk spectaculair zijn om een ​​bruine dwerg te vinden die zo snel roteert dat hij zijn atmosfeer de ruimte in gooit, " zei Megan Tannock, een doctoraat kandidaat aan de Western University in Londen, Ontario, en hoofdauteur van de nieuwe studie. "Maar tot nu toe, zoiets hebben we niet gevonden. Ik denk dat dat moet betekenen dat ofwel iets de bruine dwergen afremt voordat ze zo extreem zijn, ofwel dat ze in de eerste plaats niet zo snel kunnen worden. Het resultaat van ons artikel ondersteunt een soort limiet op de rotatiesnelheid, maar we zijn nog niet zeker van de reden."

De maximale spinsnelheid van een object wordt niet alleen bepaald door de totale massa, maar ook door hoe die massa wordt verdeeld. Dat is waarom, wanneer er sprake is van zeer hoge spinsnelheden, het begrijpen van de interne structuur van een bruine dwerg wordt steeds belangrijker:het materiaal binnenin verschuift en vervormt waarschijnlijk op manieren die kunnen veranderen hoe snel het object kan draaien. Net als bij gasplaneten zoals Jupiter en Saturnus, bruine dwergen bestaan ​​voornamelijk uit waterstof en helium.

Maar ze zijn ook aanzienlijk dichter dan de meeste reuzenplaneten. Wetenschappers denken dat de waterstof in de kern van een bruine dwerg onder zo'n enorme druk staat dat het zich als een metaal gaat gedragen in plaats van als een inert gas:het heeft vrij zwevende geleidende elektronen, net als een koperen geleider. Dat verandert hoe warmte door het interieur wordt geleid en met zeer hoge spinsnelheden, kan ook van invloed zijn op hoe de massa in een astronomisch object wordt verdeeld.

"Deze toestand van waterstof, of enig gas onder een dergelijke extreme druk, is nog steeds erg raadselachtig, " zei Stanimir Metchev, co-auteur van het papier en de Canada Research Chair in Extrasolar Planets aan het Institute for Earth and Space Exploration aan de Western University. "Het is buitengewoon uitdagend om deze toestand van materie te reproduceren, zelfs in de meest geavanceerde hogedrukfysica-laboratoria."

Natuurkundigen gebruiken observaties, laboratorium gegevens, en wiskunde om modellen te maken van hoe bruine dwerginterieurs eruit zouden moeten zien en hoe ze zich zouden moeten gedragen, zelfs onder extreme omstandigheden. Maar de huidige modellen laten zien dat de maximale spinsnelheid van de bruine dwerg ongeveer 50% tot 80% sneller zou moeten zijn dan de rotatieperiode van één uur die in de nieuwe studie wordt beschreven.

"Het is mogelijk dat deze theorieën nog niet het volledige beeld hebben, " zei Metchev. "Er kan een niet-gewaardeerde factor in het spel komen die de bruine dwerg niet sneller laat draaien." Aanvullende observaties en theoretisch werk kunnen nog onthullen of er een remmechanisme is dat bruine dwergen tegenhoudt van zelfvernietiging en of er bruine dwergen draaien nog sneller in het donker.

De resultaten van het team verschijnen in een komende uitgave van Het astronomische tijdschrift .