JWST нашёл коричневые карлики с массой 2 Юпитера и молекулу, которую не предсказывали модели

Считалось, что у коричневых карликов есть нижний предел. Эти объекты, занимающие промежуточное положение между планетами и звёздами — слишком массивные, чтобы быть планетами, и слишком лёгкие, чтобы поддерживать термоядерный синтез водорода, который заставляет звезду гореть, — как полагали, требуют как минимум определённого порога массы, чтобы сформироваться из коллапсирующего облака газа и пыли. JWST обнаружил девять объектов, которые, судя по всему, этого не учли.

Скопление IC 348 — компактные ясли молодых звёзд в созвездии Персея — уже было известно тем, что в нём обитают необычно маленькие коричневые карлики. Более раннее исследование JWST опустило рекорд массы до 3–4 масс Юпитера. Новое исследование под руководством Кевина Лумана (Kevin Luhman) из Университета штата Пенсильвания и Катарины Алвес де Оливейра (Catarina Alves de Oliveira) из Европейского космического агентства пошло дальше: используя снимки NIRCam с последующей спектроскопией NIRSpec, команда идентифицировала девять новых субзвёздных объектов с массами, оценёнными всего в 2 массы Юпитера — примерно 0,19 процента массы Солнца. Один из них несёт протопланетный диск — кольцо материала, из которого формируются планеты. Это самый маломассивный объект из когда-либо найденных, содержащий сырьё для планетных спутников.

Это уже опрокидывает прежнюю границу. Атмосферная молекула может оказаться ещё более странным результатом.

Рекомендуем прочитатьКрасные пятна JWST — чёрные дыры, растущие в 10 раз быстрее допустимого

Неопознанное соединение в самых холодных атмосферах

Восемь из девяти новых членов скопления — вместе с одним ранее известным объектом — демонстрируют полосу поглощения на длине волны 3,4 микрометра, приписываемую алифатическому углеводороду: классу органических молекул, построенных из цепочек атомов углерода и водорода. Ни одна существующая модель атмосфер коричневых карликов не предсказывает присутствия этого соединения. Эта особенность наблюдалась в атмосферах Сатурна и Титана, которые команда использовала в качестве спектральных эталонов, но до этого исследования она никогда не обнаруживалась ни у одного коричневого карлика за пределами Солнечной системы.

Эта особенность не случайна. Её интенсивность систематически коррелирует с видимой тусклостью — чем холоднее и менее массивен коричневый карлик, тем более выражен сигнал. Такой градиент указывает на реальный физический процесс, происходящий в этих экстремальных холодных атмосферах, а не на загрязнение или инструментальный артефакт. Луман и Алвес де Оливейра предлагают новый спектральный класс — класс H, от «hydrocarbon» (углеводород), — чтобы классифицировать эти объекты. Существующая таксономия холодных карликов включает спектральные типы от L до T и Y; ни один из этих классов не был разработан для данного диапазона масс.

Что именно представляет собой эта молекула и почему она накапливается в атмосферах самых лёгких коричневых карликов, остаётся открытым вопросом. В статье говорится, что это открытие «не было предсказано атмосферными моделями и ранее не обнаруживалось в атмосферах за пределами Солнечной системы».

Как это было сделано

Наблюдения последовательно использовали два инструмента «Уэбба». NIRCam получил изображения IC 348 в нескольких ближних инфракрасных фильтрах, идентифицируя субзвёздных кандидатов по их необычным цветам и слабой видимой яркости — метод отбора, который использует тот факт, что объекты очень низкой массы выглядят заметно краснее фоновых звёзд на этих длинах волн. Затем спектроскопия NIRSpec подтвердила массы объектов-кандидатов, измеряя, сколько света каждый из них поглощает на каждой длине волны, и сравнивая эти паттерны со спектральными моделями молодых коричневых карликов.

Для объектов массой 2 Юпитера спектральные особенности находятся на границе чувствительности JWST. IC 348 было выбрано намеренно: в возрасте примерно 3 миллионов лет объекты скопления всё ещё теплы от энергии, выделившейся при формировании — они ярче и более доступны для спектроскопии, чем более старые коричневые карлики той же массы. Такой же поиск, проведённый в скоплении возрастом 100 миллионов лет, не дал бы ничего — объекты были бы слишком холодными и тусклыми для современных инструментов.

Оценки массы в этом экстремальном диапазоне имеют погрешность около 30 процентов. Объект номинально в 2 массы Юпитера в зависимости от предположений разных эволюционных моделей может находиться в пределах от 1,4 до 2,6.

Почему это объяснить сложнее, чем кажется

Предыдущий нижний предел массы JWST в 3–4 массы Юпитера уже был ниже того, что большинство теоретических моделей предсказывали как практическую нижнюю границу для изолированного субзвёздного формирования. Этот предел вытекает из термодинамики: чтобы коллапсирующее газовое облако породило стабильный объект, а не фрагментировалось дальше, фрагмент должен достичь определённых условий температуры и плотности. Различные модели — в зависимости от предполагаемой температуры облака, турбулентности и магнитного поля — помещают этот порог где-то от 3 до 10 масс Юпитера.

Две массы Юпитера ниже всех них. Теория не опровергнута в решающем смысле — она неполна в том смысле, что не учитывает то, что наблюдаемо происходит по крайней мере в одном молодом скоплении. Механизм, с помощью которого IC 348 производит такие лёгкие объекты, в настоящее время не понят. Протопланетный диск у самого лёгкого кандидата добавляет ещё один слой: считалось, что планетообразующие диски требуют значительно более массивных родительских объектов, и если они могут собираться вокруг тела массой в 2 Юпитера, граница между планетарным и звёздным формированием сужается ещё больше.

Чего эти находки не решают

Девять объектов происходят из одного скопления. Является ли IC 348 необычным — возможно, его среда исключительно эффективно фрагментирует газовые облака при низких массах — или такие объекты распространены в областях звездообразования, на основе только этих данных ответить нельзя. Потребовалось бы систематическое исследование JWST нескольких молодых скоплений.

Углеводородная особенность требует идентификации. Поглощение на 3,4 микрометра согласуется с несколькими различными алифатическими соединениями; спектрального разрешения NIRSpec на этих длинах волн недостаточно, чтобы их различить. Потребуется спектроскопия высокого разрешения или лабораторные измерения молекул-кандидатов в условиях атмосфер коричневых карликов, чтобы назвать соединение. Авторы не строят догадок о конкретной идентификации.

Более широкий вопрос о том, надёжны ли оценки массы в этих экстремальных диапазонах — не выходят ли из строя модели, преобразующие наблюдаемую яркость в числовое значение массы, ниже 3 масс Юпитера — не может быть решён без независимых методов, таких как динамические измерения массы по двойным системам, которые для этих объектов недоступны.

Часто задаваемые вопросы о самых лёгких коричневых карликах

Могут ли планеты обращаться вокруг коричневого карлика массой в 2 Юпитера?

Один из недавно найденных объектов массой примерно в 2 Юпитера демонстрирует избыточное инфракрасное излучение, соответствующее протопланетному диску — резервуару материала, из которого формируются планеты. Собираются ли планеты на самом деле и выживают ли они вокруг объекта, едва превышающего по массе Юпитер, неизвестно. Ни одна планета не была подтверждена на орбите вокруг изолированного объекта, близкого по массе к этому.

В чём разница между коричневым карликом и планетой-гигантом?

Коричневые карлики формируются путём прямого гравитационного коллапса газового облака — того же процесса, который создаёт звёзды. Планеты-гиганты формируются внутри диска материала, вращающегося вокруг уже существующей звезды. Различие становится практически неопределённым при очень низких массах: объект массой в 2 Юпитера, найденный в изоляции внутри звёздного скопления, классифицируется как коричневый карлик на основании того, как он, вероятно, сформировался, а не только по массе.

Что такое алифатический углеводород и почему его присутствие в атмосфере коричневого карлика странно?

Алифатические углеводороды — это органические молекулы, состоящие из атомов углерода и водорода, расположенных в цепочки или разветвлённые структуры — они включают соединения, встречающиеся в нефти на Земле и в атмосфере спутника Сатурна Титана. Во внешней атмосфере коричневого карлика существующие модели не учитывают их. Их присутствие на длине волны 3,4 микрометра в спектрах самых холодных объектов IC 348 представляет собой пробел в современном понимании химии субзвёздных атмосфер.

Как далеко находится IC 348?

IC 348 находится примерно в 1000 световых лет от Земли в созвездии Персея. Это одна из ближайших областей молодого звездообразования, и она была целью исследований звёздного населения в течение нескольких десятилетий. Её возраст около 3 миллионов лет делает её объекты всё ещё достаточно яркими для спектроскопического анализа с помощью «Уэбба».

Программа наблюдений команды была сосредоточена именно на IC 348. Сопоставимые глубокие спектроскопические исследования других молодых скоплений — включая скопление Ориона, Chamaeleon I и Тельца — запланированы или уже проводятся с помощью JWST. Результаты этих программ покажут, являются ли нижний предел в 2 массы Юпитера и углеводородная особенность более широко распространёнными, или же IC 348 является исключением. Предложенный спектральный класс H ожидает независимого подтверждения на основе дополнительных наборов данных, прежде чем войти в стандартное использование.

Ссылка: Luhman, K. L. & Alves de Oliveira, C., «A New Spectral Class of Brown Dwarfs at the Bottom of the IMF in IC 348», The Astrophysical Journal Letters, 986 (1), 2025. DOI: 10.3847/2041-8213/addc55

Теги: астрономия, JWST, IC 348, алифатический углеводород, звездообразование, Кевин Лухман

Похожее

Телескопы Уэбб и Хаббл нашли меньше малых объектов в поясе Койпера, чем предсказывали модели

JWST обнаружил скопление галактик возрастом 10 миллиардов лет, которое не должно быть таким плотным

JWST обнаружил объект в 100 миллиардов раз ярче звезды — но это не звезда

JWST нашёл на спутниках Нептуна глину, которая образуется только в жидкой воде

JWST обнаружил воду у порога Стрельца A* — галактические ядра всё-таки способны на химию

На TRAPPIST-1 b и c нет атмосферы: Уэбб зафиксировал 400-градусный перепад