Emisje promieniowania w podczerwieni pochodzące od metanu sugerują ogrzewanie atmosfery brązowego karła przez zorze polarne.
Wykorzystując obserwacje za pomocą teleskopu Webba astronomowie odkryli brązowego karła (obiekt bardziej masywny niż Jowisz, a bardziej masywny niż najmniej masywna gwiazda) świecącego w podczerwieni w liniach emisyjnych metanu. Źródłem tych emisji jest najprawdopodobniej energia uwalniana w górnej atmosferze.
Jest to zaskakujące odkrycie, ponieważ brązowy karzeł W1935 jest zimny i nie towarzyszy mu gwiazda macierzysta. Dlatego nie ma oczywistego źródła energii ogrzewającego górną atmosferę, które mogło by być źródłem świecenia metanu. Spekuluje się, że świecenie metanu może być związane ze zjawiskiem powstawania zórz polarnych.
Omawiane wyniki zostały zaprezentowane na 243 zjeździe Amerykańskiego Astronomicznego Stowarzyszenia, który odbył się w dniach 7-11 stycznia 2024 roku w Nowym Orleanie.
Aby wyjaśnić tajemnice metanowych emisji grupa astronomów zainteresowała się naszym Układem Słonecznym, gdzie linie emisyjne metanu są powszechną cechą gazowych olbrzymów takich jak Jowisz i Saturn. Ogrzewanie górnej atmosfery, będące źródłem tych emisji, ma związek z zorzami.
Zorze polarne powstają na Ziemi, gdy energetyczne cząstki wyrzucane ze Słońca w przestrzeń kosmiczną zostają przechwycone przez pole magnetyczne Ziemi. Wpadają całą chmarą w atmosferę Ziemi wzdłuż linii pola magnetycznego w pobliżu ziemskich biegunów i zderzają się z molekułami gazu tworząc niesamowite, tańczące kurtyny świetlne. Jowisz i Saturn posiadają podobny mechanizm powstawania zórz, który uwzględnia oddziaływanie z wiatrem słonecznym, jak również udział pobliskich aktywnych księżyców takich jak Io (księżyc Jowisza) i Enceladus (księżyc Saturna).
Dla samotnego brązowego karła W1935 jest zagadką ten brak wiatru gwiazdowego, jako źródła zjawisk zorzowych i dodatkowej energii w górnej atmosferze, która jest wymagana do świecenia metanu. Przypuszcza się, że taką emisję mogłyby wygenerować, albo nieznane wewnętrzne procesy takie jak zjawiska w atmosferze Jowisza lub Saturna, albo zewnętrzne oddziaływania plazmy lub pobliskiego aktywnego księżyca.
Powieść detektywistyczna
Odkrycie tych zórz polarnych rozegrało się niczym akcja w powieści kryminalnej. Grupie badaczy kierowanej przez astronoma Jackie Faherty (the American Museum of Natural History, New York, USA) został przyznany czas obserwacyjny na Teleskopie Webba, aby zbadać 12 chłodnych brązowych karłów. Pośród tych obiektów znalazły się:
• W1935 - brązowy karzeł, który został odkryty przez Dana Caseldena – naukowca-wolontariusza udzielającego się w projekcie nauki obywatelskiej „the Backyard Worlds Zooniverse”;
• W2220 – brązowy karzeł, który został odkryty przez satelitę WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer).
Teleskop Webba pokazał, że oba brązowe karły są niemal swoimi klonami pod względem składu chemicznego. Posiadają również podobną jasność, temperatury powierzchniowe i podobne struktury widmowe zawierające wodę, amoniak, tlenek węgla i dwutlenek węgla.
Zaskakującym wyjątkiem okazała się emisyjna w widmie W1935 pochodząca od metanu, którą pokazano na poniższej ilustracji. W przeciwnie do W1935, w widmie brązowego karła W2220 w tym miejscu zaobserwowano absorpcję.
Na ilustracji: Astronomowie obserwowali z pomocą Teleskopu Webba 12 chłodnych brązowych karłów. Z tej listy dwa brązowe karły W1935 i W2220 wydają się bliźniaczo podobne do siebie pod względem składu chemicznego, jasności i temperatury. Jednak W1935 prezentuje w widmie podczerwonym linie emisyjne pochodzące od metanu – w przeciwieństwie do W2220, gdzie widać strukturę absorpcyjną dla tej długości fali. Astronomowie spekulują, że ta emisja metanowa może być związana z powstawaniem zórz polarnych. Źródło: NASA, ESA, CSA, and L. Hustak (STScI)
Grupa badaczy wykorzystała modele komputerowe, aby ustalić co może stać za tą emisją. Modelowanie wykazało, że brązowy karzeł W2220 posiada oczekiwany rozkład energii w atmosferze o malejącej temperaturze ze wzrostem wysokości. Z kolei w obiekcie W1935 uzyskano zaskakujący wynik - najbardziej preferowany jest model z inwersją temperatury, w którym temperatura rośnie ze wzrostem wysokości w atmosferze.
Wskazówki z naszego Układu Słonecznego
Zespół badawczy sięgnął na nasze własne podwórko po wskazówki, czyli do planet Układu Słonecznego. Te gazowe planety-olbrzymy mogą służyć jako odpowiednik tego, co może być zaobserwowane ponad 40 l.św. od nas w atmosferze W1935.
Astronomowie uświadomili sobie, że inwersje temperaturowe są widoczne na planetach takich jak Jowisz i Saturn. Nadal trwają analizy, których celem jest zrozumienie przyczyn ogrzewania ich stratosfer. Jednakże wiodące teorie dla planet Układu Słonecznego wymagają zewnętrznego nagrzewania przez zorze polarne i przemieszczania się energii wewnętrznej z głębszych warstw atmosfery – przy czym pierwsze z wymienionych jest głównych wyjaśnieniem.
Kandydaci na brązowych karłów z zorzami polarnymi w szerszym kontekście
Nie jest to pierwszy raz, gdy zjawisko zorzy polarnej wykorzystano do wyjaśnienia obserwacji brązowego karła. Astronomowie zarejestrowali promieniowanie radiowe pochodzące od kilku gorętszych brązowych karłów i wskazali zorze polarne, jako najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie ich świecenia. Poszukiwania sygnatur w podczerwieni emitowanych przez te „radiowe” brązowe karły zostały przeprowadzone z użycie naziemnych teleskopów np. w Obserwatorium Kecka, aby uzyskać głębszy wgląd w to zjawisko, ale wyniki obserwacji są niejednoznaczne.
Brązowy karzeł W1935 jest pierwszy kandydatem na obserwacje zorzy polarnej poza Układem Słonecznym - ze śladami emisji w liniach widmowych metanu. Jest to również najchłodniejszy kandydat do występowania tego zjawiska poza Układem Słonecznym o temperaturze efektywnej około 200 stopni Celsjusza, czyli jest o około 330 stopni cieplejszy niż Jowisz.
W naszym Układzie Słonecznym wiatr słoneczny jest główną przyczyną zjawisk zorzowych - z aktywnymi księżycami takimi, jak Io i Enceladus, które są istotne odpowiednio dla Jowisza i Saturna. W1935 nie posiada towarzyszącej gwiazdy. Dlatego wiatr gwiazdowy nie może być źródłem tego zjawiska. To się dopiero okaże, czy jakiś aktywny księżyc może być źródłem emisji metanu dla W1935.
Dzięki W1935 mamy obecnie spektakularne rozszerzenie zjawiska z Układu Słonecznego bez jakiegokolwiek promieniowania gwiazdy, które pomogłoby to wyjaśnić – zauważył Faherty – Dzięki Webbowi możemy faktycznie uchylić rąbka tajemnicy odnośnie chemii i przeanalizować w jaki sposób podobne lub inne procesy zorzowe mogą funkcjonować poza naszym Układem Słonecznym.
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Więcej informacji:
• NASA’s Webb Finds Signs of Possible Aurorae on Isolated Brown Dwarf
• James Webb Telescope Unearths Auroral Activity on Brown Dwarf W1935
Źródło: NASA, ESA, CSA
Na ilustracji: Wizja artystyczna brązowego karła W1935, który znajduje się w odległości około 47 l.św. od Ziemi. Wykorzystując Teleskop Webba astronomowie zaobserwowali w widmie W1935 linie emisyjne metanu w podczerwieni. Jest to zaskakujące odkrycie, ponieważ ten brązowy karzeł jest zimny i nie towarzyszy mu gwiazda macierzysta. Dlatego nie ma oczywistego źródła energii ogrzewającego górną atmosferę, które jest źródłem świecenia metanu. Astronomowie spekulują, że świecenie metanu może być związane z zjawiskiem zorzy polarnej pokazanego na tej ilustracji w barwie czerwonej. Źródło: NASA, ESA, CSA, and L. Hustak (STScI)
