Astronomowie korzystający z należącego do NASA Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba odkryli brązowego karła (obiekt bardziej masywny od Jowisza, ale mniejszy od gwiazdy) emitującego metan w podczerwieni, prawdopodobnie wskutek energii w górnych warstwach atmosfery. To nieoczekiwane odkrycie, ponieważ brązowy karzeł W1935 jest zimny i nie ma gwiazdy macierzystej; dlatego nie ma oczywistego źródła energii górnych warstw atmosfery. Zespół spekuluje, że emisja metanu może wynikać z procesów generujących zorze polarne.
Odkrycia te zostaną zaprezentowane podczas 243. spotkania Amerykańskiego Towarzystwa Astronomicznego w Nowym Orleanie.
Aby pomóc w wyjaśnieniu tajemnicy emisji metanu w podczerwieni, zespół zwrócił się do naszego Układu Słonecznego. Emisja metanu jest powszechną cechą gazowych gigantów, takich jak Jowisz i Saturn. Ogrzewanie górnych warstw atmosfery, które napędza tę emisję, jest powiązane z zorzami polarnymi.
Na Ziemi zorze polarne powstają, gdy energetyczne cząstki wywiewane w przestrzeń kosmiczną ze Słońca są wychwytywane przez ziemskie pole magnetyczne. Spadają kaskadą do naszej atmosfery wzdłuż linii pola magnetycznego w pobliżu biegunów Ziemi, zderzając się z cząsteczkami gazu i tworząc niesamowite, tańczące kurtyny światła. Jowisz i Saturn mają podobne procesy zorzowe, które obejmują interakcję z wiatrem słonecznym, ale otrzymują również wkład zorzowy od pobliskich aktywnych księżyców, takich jak Io (w przypadku Jowisza) i Enceladus (w przypadku Saturna).
W przypadku izolowanych brązowych karłów, takich jak W1935, brak wiatru gwiazdowego, który przyczyniałby się do procesu zorzowego i wyjaśniał dodatkową energię w górnych warstwach atmosfery wymaganą do emisji metanu, pozostaje tajemnicą. Zespół przypuszcza, że albo niezliczone procesy wewnętrzne, takie jak zjawiska atmosferyczne Jowisza i Saturna, albo zewnętrzne interakcje z plazmą międzygwiazdową lub pobliskim aktywnym księżycem, mogą pomóc w wyjaśnieniu emisji.
Historia detektywistyczna
Odkrycie zorzy polarnej wyglądało jak kryminał. Zespół kierowany przez Jackie Faherty, astronoma z Amerykańskiego Muzeum Historii Naturalnej w Nowym Jorku, otrzymał czas dzięki teleskopowi Webba na zbadanie 12 zimnych brązowych karłów. Wśród nich był W1935 – obiekt odkryty przez naukowca obywatelskiego Dana Caseldena, który pracował w projekcie zooniverse Backyard Worlds – oraz W2220, obiekt odkryty za pomocą eksploratora Wide Field Infrared Survey Explorer NASA. Webb ujawnił z niezwykłą szczegółowością, że W1935 i W2220 wydają się być blisko siebie klonowanymi składem. Miały także podobną jasność, temperaturę i cechy widmowe wody, amoniaku, tlenku węgla i dwutlenku węgla. Uderzającym wyjątkiem było to, że W1935 wykazała emisję metanu, w przeciwieństwie do przewidywanej cechy absorpcji, którą zaobserwowano w przypadku W2220. Zaobserwowano to przy wyraźnej długości fali w podczerwieni, na którą Webb jest wyjątkowo wrażliwy.
„Spodziewaliśmy się zobaczyć metan, ponieważ metan jest wszędzie wokół tych brązowych karłów. Zamiast absorbować światło, widzieliśmy coś wręcz przeciwnego: metan się świecił. Moją pierwszą myślą było: co do cholery? Dlaczego emisja metanu wydobywa się z tego obiektu ?” powiedział Faherty.
Zespół wykorzystał modele komputerowe, aby wywnioskować, co może stać za emisją. Prace nad modelowaniem wykazały, że W2220 miał oczekiwany rozkład energii w atmosferze, przy czym wraz ze wzrostem wysokości stawał się chłodniejszy. W1935 natomiast przyniósł zaskakujący wynik. Najlepszy model faworyzował inwersję temperatury, podczas której atmosfera stawała się cieplejsza wraz ze wzrostem wysokości. „Ta inwersja temperatury jest naprawdę zagadkowa” – powiedział Ben Burningham, współautor z Uniwersytetu w Hertfordshire w Anglii i główny twórca modelu w pracy. „Widzieliśmy tego rodzaju zjawisko na planetach z pobliską gwiazdą, która może ogrzewać stratosferę, ale obserwowanie go w obiekcie bez widocznego zewnętrznego źródła ciepła jest szalone”.
Wskazówki z naszego Układu Słonecznego
W poszukiwaniu wskazówek zespół zajrzał na własne podwórko, na planety naszego Układu Słonecznego. Gazowe olbrzymy mogą służyć jako zastępcze obiekty obserwowane w atmosferze W1935 oddalonej o ponad 40 lat świetlnych.
Zespół zdał sobie sprawę, że inwersje temperatury są widoczne na planetach takich jak Jowisz i Saturn. Nadal trwają prace nad zrozumieniem przyczyn nagrzewania się stratosfery, ale wiodące teorie Układu Słonecznego obejmują zewnętrzne ogrzewanie przez zorze polarne i wewnętrzny transport energii z głębszych warstw atmosfery (przy czym to pierwsze jest wiodącym wyjaśnieniem).
Kandydaci na zorzę brązowego karła w kontekście
Nie jest to pierwszy przypadek wykorzystania zorzy polarnej do wyjaśnienia obserwacji brązowego karła. Astronomowie wykryli emisję radiową pochodzącą od kilku cieplejszych brązowych karłów i jako najbardziej prawdopodobne wyjaśnienie przywołali zorze polarne. Za pomocą teleskopów naziemnych, takich jak Obserwatorium Keck, przeprowadzono poszukiwania sygnatur w podczerwieni tych emitujących fale radiowe brązowych karłów, aby dokładniej scharakteryzować zjawisko, ale nie przyniosły one jednoznacznego wyniku.
W1935 to pierwszy kandydat na zorzę poza Układem Słonecznym, któremu towarzyszy emisja metanu. Jest to także najzimniejszy kandydat na zorzę poza naszym Układem Słonecznym, z efektywną temperaturą około 400 stopni Fahrenheita (200 stopni Celsjusza), czyli o około 600 stopni Fahrenheita cieplejszą niż Jowisz.
W naszym Układzie Słonecznym wiatr słoneczny jest głównym czynnikiem przyczyniającym się do procesów zorzowych, a aktywne księżyce, takie jak Io i Enceladus, odgrywają rolę w przypadku planet, takich jak odpowiednio Jowisz i Saturn. W1935 całkowicie brakuje gwiazdy towarzyszącej, więc wiatr gwiazdowy nie może przyczyniać się do tego zjawiska. Nie wiadomo jeszcze, czy aktywny księżyc może odgrywać rolę w emisji metanu w W1935.
„Dzięki W1935 mamy teraz spektakularne rozszerzenie zjawiska w Układzie Słonecznym bez żadnego promieniowania gwiazdowego, które mogłoby pomóc w wyjaśnieniu”. – zauważył Faherty. „Dzięki Webbowi możemy naprawdę„ otworzyć maskę ”na chemię i odkryć, jak podobny lub odmienny może być proces zórz polarnych poza naszym Układem Słonecznym” – dodała.