Onderzoekers openden met behulp van de Webb-telescoop een klopjacht op kleine bruine dwergen. En dit object, met een massa van slechts drie tot vier keer die van Jupiter, spant de kroon.
Bruine dwergen zijn eigenaardige hemelobjecten. Het zijn in feite geen sterren en geen planeten. Hoewel ze zich vormen zoals sterren, en ook zo compact worden dat ze onder hun eigen zwaartekracht instorten, bereiken ze nooit de hoge dichtheid en temperatuur die nodig zijn voor waterstoffusie om een echte ster te worden. Sommige bruine dwergen vertonen zelfs gelijkenissen met reuzenplaneten. In een nieuwe studie zijn onderzoekers op zoek gegaan naar de allerkleinste exemplaren. En nu is met behulp van de krachtige James Webb-telescoop de nieuwste kampioen gevonden.
Een bruine dwerg heeft een massa die kleiner is dan die van een ster, maar aanzienlijk groter dan die van een gasreus. Hoewel ze zich op dezelfde wijze vormen als sterren, zijn ze zoals gezegd te klein om kernfusie te ondergaan. Daarom worden bruine dwergen ook wel ‘mislukte sterren’ genoemd. Ze hebben onvoldoende massa om te ‘ontsteken’ en te stralen zoals andere sterren.
“In elk astronomieboek kom je de fundamentele vraag tegen: wat zijn de kleinste sterren?” Vertelt hoofdauteur van de nieuwe studie Kevin Luhman. “En dat is precies de vraag die we hebben geprobeerd te beantwoorden.”
Sterrencluster IC 348
Om dat te doen, hebben wetenschappers het sterrencluster IC 348 onderzocht. Dit cluster bevindt zich op ongeveer 1000 lichtjaar afstand in het stervormingsgebied Perseus. Deze groep sterren is nog jong, pas ongeveer vijf miljoen jaar oud. Hierdoor zouden eventuele bruine dwergen nog behoorlijk helder zijn in infrarood licht omdat ze nog warmte uitstralen van hun recente vorming.
James Webb
De onderzoekers begonnen met het vastleggen van het centrum van het sterrencluster met de NIRCam (Near-Infrared Camera) van de krachtige James Webb-telescoop. Hiermee identificeerden ze potentiële bruine dwergen op basis van hun helderheid en kleuren. Vervolgens volgden ze de meest veelbelovende doelen met behulp van Webb’s NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph) en de microshutter-array. De infraroodgevoeligheid van Webb was van essentieel belang, omdat dit het team in staat stelde om zwakkere objecten te detecteren dan wat mogelijk is met telescopen op de grond. Ook kon Webb dankzij zijn scherpe blik onderscheiden welke rode objecten echte bruine dwergen en welke gewoon vage achtergrondstelsels waren.
Kleinste bruine dwerg
Op deze manier kwamen de astromen drie interessante doelen op het spoor, allemaal met een massa tussen de drie en acht keer die van Jupiter. Deze objecten hebben oppervlaktetemperaturen die variëren van 830 tot 1500 graden Celsius. Maar het kleinste exemplaar van allemaal, en tevens de nieuwe recordhouder, is een wel heel kleine, vrij rondzwervende bruine dwerg die slechts drie tot vier keer de massa van Jupiter heeft.
Hoe is ie ontstaan?
Over het ontstaan van deze kleine bruine dwerg, tasten onderzoekers nog in het duister. Een zware en dichte gaswolk heeft namelijk genoeg zwaartekracht om in te storten en een ster te vormen. Maar vanwege de zwakkere zwaartekracht zou het moeilijker moeten zijn voor een kleine wolk om in te storten en een bruine dwerg te vormen, en dat geldt vooral voor bruine dwergen met de massa van reuzenplaneten. “Wetenschappelijke modellen kunnen tegenwoordig vrij gemakkelijk uitleggen hoe reuzenplaneten in een schijf rond een ster ontstaan,” zegt onderzoeker Catarina Alves de Oliveira van ESA. “Maar in dit sterrencluster lijkt het onwaarschijnlijk dat dit object is ontstaan in een schijf; het lijkt eerder te zijn gevormd als een ster. Daarnaast is de massa van deze dwerg, met slechts drie keer die van Jupiter, wel 300 keer kleiner dan onze zon. Daarom rijst de vraag: hoe verloopt het proces van stervorming bij zulke extreem kleine massa’s?”
Exoplaneten
Kleine bruine dwergen bieden overigens niet alleen inzicht in het stervormingsproces, maar ze helpen astronomen ook om exoplaneten beter te begrijpen. De minst massieve bruine dwergen overlappen zoals eerder genoemd met de grootste exoplaneten, dus ze zouden enkele vergelijkbare eigenschappen moeten delen. Het bestuderen van een vrij rondzwervende bruine dwerg is echter makkelijker dan het onderzoeken van een reuzenexoplaneet, omdat die laatste verborgen is in het heldere licht van zijn moederster.
Koolwaterstof
Twee van de bruine dwergen die tijdens dit onderzoek zijn ontdekt, laten een specifiek soort signaal zien dat wijst op de aanwezigheid van een onbekende koolwaterstof. Dit molecuul bevat zowel waterstof- als koolstofatomen. Dezelfde infraroodhandtekening is eerder waargenomen door NASA’s Cassini-missie in de atmosferen van Saturnus en zijn maan Titan. Het is ook gedetecteerd in het interstellaire medium, het gas dat zich tussen sterren bevindt. “Voor het eerst hebben we dit specifieke molecuul waargenomen in de atmosfeer van een object buiten ons zonnestelsel,” legt Alves de Oliveira uit. “De modellen die we gebruiken om de atmosferen van bruine dwergen te begrijpen, hadden niet voorspeld dat dit specifieke molecuul aanwezig zou zijn. We onderzoeken objecten met leeftijden en massa’s die jonger en kleiner zijn dan wat we eerder hebben bestudeerd, en we ontdekken iets nieuws en verrassends.”
Zwerfplaneten
Aangezien deze objecten qua massa goed binnen het bereik van reuzenplaneten vallen, rijst de vraag of het daadwerkelijk bruine dwergen zijn, of eerder zwerfplaneten die uit planetaire systemen zijn geslingerd. Hoewel het team de mogelijkheid van uitgestoten planeten niet volledig kan uitsluiten, stellen ze dat het waarschijnlijker is dat het bruine dwergen zijn dan verdreven planeten. Dat laatste lijkt om twee redenen onwaarschijnlijk. Allereerst zijn zulke planeten over het algemeen zeldzaam vergeleken met planeten met minder massa. Ten tweede bestaan de meeste sterren uit lage-massa sterren, en reuzenplaneten zijn vooral zeldzaam rond die sterren. Daarom lijkt het onwaarschijnlijk dat de meeste sterren in het IC 348-cluster, dat uit lage-massa sterren bestaat, in staat zijn om zulke grote planeten te produceren. Bovendien is het cluster slechts vijf miljoen jaar oud. Dit betekent dat er waarschijnlijk niet voldoende tijd is verstreken voor het ontstaan en de daaropvolgende uitstoting van reuzenplaneten uit hun systemen.
Al met al blijven er nog veel vragen over bruine dwergen bestaan. De onderzoekers zijn dan ook van plan hun zoektocht voort te zetten, om uiteindelijk meer over hun aard te weten te komen. Maar voor nu weten we in ieder geval wel hoe de allerkleinste ooit ontdekt eruitziet: dit mysterieuze, ongebonden object in het IC 348-cluster, dat slechts ietsje groter is als Jupiter.
