Bruine dwergen zijn het kosmische equivalent van tweeners. Ze zijn te massief om planeten te zijn en te klein om kernfusie in hun kernen te ondersteunen, die sterren aanstuurt. Veel bruine dwergen zijn nomadisch. Ze draaien niet om sterren, maar drijven er als eenlingen tussen.

Astronomen willen graag weten hoe deze eigenzinnige objecten in elkaar zitten. Hebben ze enige verwantschap met opgeblazen gasreuzenplaneten zoals Jupiter? Het bestuderen van bruine dwergen is veel moeilijker dan het bestuderen van het nabijgelegen Jupiter om vergelijkingen te maken. We kunnen ruimtevaartuigen naar Jupiter sturen. Maar astronomen moeten over vele lichtjaren heen kijken om in de atmosfeer van een bruine dwerg te kunnen kijken.

Onderzoekers gebruikten het gigantische W. M. Keck Observatory op Hawaï om een ​​nabijgelegen bruine dwerg in infrarood licht te observeren. In tegenstelling tot Jupiter, de jonge bruine dwerg is nog zo heet dat hij van binnenuit gloeit, en ziet eruit als een gesneden Halloween-pompoen. Omdat de bruine dwerg verspreide wolken heeft, licht dat van diep in de atmosfeer van de dwerg schijnt, fluctueert, die de onderzoekers hebben gemeten. Ze ontdekten dat de atmosfeer van de dwerg een gelaagde cakestructuur heeft met wolken met een verschillende samenstelling op verschillende hoogten.

Jupiter is misschien wel de pestplaneet van ons zonnestelsel omdat het de meest massieve planeet is. Maar het is eigenlijk een kleinigheid in vergelijking met veel van de gigantische planeten die rond andere sterren worden gevonden.

Deze vreemde werelden, super-Jupiters genoemd, wegen tot 13 keer de massa van Jupiter. Astronomen hebben de samenstelling van sommige van deze monsters geanalyseerd. Maar het was moeilijk om hun atmosferen in detail te bestuderen omdat deze gasreuzen verloren gaan in de schittering van hun moedersterren.

onderzoekers, echter, een vervanger hebben:de atmosfeer van bruine dwergen, zogenaamde mislukte sterren die tot 80 keer de massa van Jupiter zijn. Deze forse objecten ontstaan ​​uit een instortende gaswolk, zoals sterren doen, maar missen de massa om heet genoeg te worden om kernfusie in hun kernen te ondersteunen, die sterren aanstuurt.

In plaats daarvan, bruine dwergen delen een verwantschap met super-Jupiters. Beide soorten objecten hebben vergelijkbare temperaturen en zijn extreem massief. Ze hebben ook complexe, gevarieerde sferen. Het enige verschil, astronomen denken, is hun stamboom. Super-Jupiters vormen zich rond sterren; bruine dwergen vormen vaak geïsoleerd.

Een team van astronomen, geleid door Elena Manjavacas van het Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, heeft een nieuwe manier getest om door de wolkenlagen van deze nomadische objecten te turen. De onderzoekers gebruikten een instrument van het W. M. Keck Observatory in Hawaï om in nabij-infrarood licht de kleuren en helderheidsvariaties van de gelaagde wolkenstructuur in de nabije, vrij zwevende bruine dwerg bekend als 2MASS J22081363+2921215.

Het Keck Observatorium-instrument, genaamd de Multi-Object Spectrograph for Infrared Exploration (MOSFIRE), analyseerde ook de spectrale vingerafdrukken van verschillende chemische elementen in de wolken en hoe deze met de tijd veranderen. Dit is de eerste keer dat astronomen het MOSFIRE-instrument in dit soort onderzoek hebben gebruikt.

Deze metingen boden Manjavacas een holistisch beeld van de atmosferische wolken van de bruine dwerg, geeft meer details dan eerdere waarnemingen van dit object. Gepionierd door Hubble-waarnemingen, deze techniek is moeilijk uit te voeren voor telescopen op de grond vanwege verontreiniging vanuit de atmosfeer van de aarde, die bepaalde infrarode golflengten absorbeert. Deze absorptiesnelheid verandert door het weer.

"De enige manier om dit vanaf de grond te doen, is door het MOSFIRE-instrument met hoge resolutie te gebruiken, omdat het ons in staat stelt om meerdere sterren tegelijk te observeren met onze bruine dwerg, " legde Manjavacas uit. "Hierdoor kunnen we corrigeren voor de besmetting die door de atmosfeer van de aarde wordt veroorzaakt en het echte signaal van de bruine dwerg met goede precisie meten. Dus, deze waarnemingen zijn een proof-of-concept dat MOSFIRE dit soort studies van bruine-dwergatmosferen kan doen."

Manjavacas zal haar resultaten op 9 juni presenteren in een persconferentie op de virtuele bijeenkomst van de American Astronomical Society.

De onderzoeker besloot deze specifieke bruine dwerg te bestuderen omdat hij erg jong en daardoor extreem helder is en nog niet is afgekoeld. Zijn massa en temperatuur zijn vergelijkbaar met die van de nabijgelegen gigantische exoplaneet Beta Pictoris b, ontdekte in 2008 nabij-infraroodbeelden gemaakt door de Very Large Telescope van de European Southern Observatory in het noorden van Chili.

"We hebben met de huidige technologie nog niet de mogelijkheid om de atmosfeer van Beta Pictoris b in detail te analyseren, "Zei Manjavacas. "Dus, we gebruiken onze studie van de atmosfeer van deze bruine dwerg als een proxy om een ​​idee te krijgen van hoe de wolken van de exoplaneet eruit zouden kunnen zien op verschillende hoogten van zijn atmosfeer."

Zowel de bruine dwerg als Beta Pictoris b zijn jong, dus ze stralen warmte sterk uit in het nabij-infrarood. Ze zijn allebei lid van een zwerm sterren en substellaire objecten genaamd de Beta Pictoris bewegende groep, die dezelfde oorsprong en een gemeenschappelijke beweging door de ruimte deelt. De groep, die ongeveer 33 miljoen jaar oud is, is de groep jonge sterren die het dichtst bij de aarde staat. Het bevindt zich op ongeveer 115 lichtjaar afstand.

Hoewel ze cooler zijn dan bonafide sterren, bruine dwergen zijn nog steeds extreem heet. De bruine dwerg in de studeerkamer van Manjavacas is een zinderende 2, 780 graden Fahrenheit (1, 527 graden Celsius).

Het gigantische object is ongeveer 12 keer zwaarder dan Jupiter. Als jong lichaam het draait ongelooflijk snel, elke 3,5 uur een rotatie voltooien, vergeleken met de 10 uur durende rotatieperiode van Jupiter. Dus, wolken slaan het, het creëren van een dynamische, turbulente sfeer.

Het MOSFIRE-instrument van Keck Observatory staarde 2,5 uur naar de bruine dwerg, kijken hoe het licht dat door de atmosfeer van het hete interieur van de dwerg naar boven filtert, in de loop van de tijd helderder en zwakker wordt. Heldere vlekken die op het roterende object verschijnen, geven gebieden aan waar onderzoekers dieper in de atmosfeer kunnen kijken, waar het heter is. Infraroodgolflengten stellen astronomen in staat dieper in de atmosfeer te kijken. De waarnemingen suggereren dat de bruine dwerg een gevlekte atmosfeer heeft met verspreide wolken. Als je hem van dichtbij bekijkt, het lijkt misschien op een gesneden Halloween-pompoen, met licht dat uit zijn hete interieur ontsnapt.

Het spectrum onthult wolken van hete zandkorrels en andere exotische elementen. Kaliumjodide traceert de bovenste atmosfeer van het object, die ook magnesiumsilicaatwolken omvat. Naar beneden in de atmosfeer beweegt een laag natriumjodide en magnesiumsilicaatwolken. De laatste laag bestaat uit aluminiumoxidewolken. De totale diepte van de atmosfeer is 446 mijl (718 kilometer). De gedetecteerde elementen vertegenwoordigen een typisch onderdeel van de samenstelling van bruine dwergatmosferen, zei Manjavacas.

De onderzoeker en haar team gebruikten computermodellen van bruine dwergatmosferen om de locatie van de chemische verbindingen in elke wolkenlaag te bepalen.

Het plan van Manjavacas is om de MOSFIRE van Keck Observatory te gebruiken om andere atmosferen van bruine dwergen te bestuderen en deze te vergelijken met die van gasreuzen. Toekomstige telescopen zoals NASA's James Webb Space Telescope, een infrarood-observatorium dat later dit jaar wordt gelanceerd, zal nog meer informatie geven over de atmosfeer van een bruine dwerg. "JWST geeft ons de structuur van de hele atmosfeer, biedt meer dekking dan welke andere telescoop dan ook, ' zei Manjavacas.

De onderzoeker hoopt dat MOSFIRE samen met JWST kan worden gebruikt om een ​​breed scala aan bruine dwergen te bemonsteren. Het doel is een beter begrip van bruine dwergen en reuzenplaneten.