Korzystając z nowych obserwacji z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST), astronomowie odkryli emisję metanu na brązowym karle, co jest nieoczekiwanym odkryciem jak na tak zimny i odizolowany świat. Odkrycia opublikowane w czasopiśmie Nature sugerują, że ten brązowy karzeł może generować zorze podobne do tych obserwowanych na naszej planecie, a także na Jowiszu i Saturnie.
Masywne niż planety, ale lżejsze od gwiazd, brązowe karły są wszechobecne w naszym sąsiedztwie Słońca, a zidentyfikowano ich tysiące. W zeszłym roku Jackie Faherty, starszy pracownik naukowy i starszy kierownik ds. edukacji w Amerykańskim Muzeum Historii Naturalnej, kierował zespołem badaczy, którym przyznano czas na JWST w celu zbadania 12 brązowych karłów. Wśród nich był CWISEP J193518.59-154620.3 (w skrócie W1935) – zimny brązowy karzeł oddalony o 47 lat świetlnych, którego współodkrywcami byli Backyard Worlds: obywatelski wolontariusz naukowy Planety 9, Dan Caselden i zespół NASA CatWISE. W1935 to zimny brązowy karzeł o temperaturze powierzchni około 400° Fahrenheita, czyli mniej więcej temperaturze, w której piecze się ciasteczka z kawałkami czekolady. Masa W1935 nie jest dobrze znana, ale prawdopodobnie waha się od 6 do 35 mas Jowisza.
Po przyjrzeniu się szeregowi brązowych karłów zaobserwowanych za pomocą JWST, zespół Faherty'ego zauważył, że W1935 wygląda podobnie, ale z jednym uderzającym wyjątkiem: emituje metan, czego nigdy wcześniej nie widziano na brązowym karle.
„Metanu można spodziewać się w planetach-olbrzymach i brązowych karłach, ale zwykle widzimy, jak pochłania on światło, a nie świeci” – powiedział Faherty, główny autor badania. „Na początku byliśmy zdezorientowani tym, co widzieliśmy, ale ostatecznie przekształciło się to w czyste podekscytowanie odkryciem”.
Modelowanie komputerowe przyniosło kolejną niespodziankę: brązowy karzeł prawdopodobnie charakteryzuje się inwersją temperatury, zjawiskiem polegającym na ocieplaniu się atmosfery wraz ze wzrostem wysokości. Inwersje temperatury mogą łatwo wystąpić na planetach krążących wokół gwiazd, ale W1935 jest odizolowana i nie ma oczywistego zewnętrznego źródła ciepła.
„Byliśmy mile zszokowani, gdy model wyraźnie przewidział inwersję temperatury” – powiedział współautor Ben Burningham z Uniwersytetu w Hertfordshire. „Ale musieliśmy także dowiedzieć się, skąd pochodzi to dodatkowe ciepło z górnych warstw atmosfery”.
Aby to zbadać, naukowcy zwrócili się do naszego Układu Słonecznego. W szczególności przyjrzeli się badaniom Jowisza i Saturna, które wykazały emisję metanu i inwersję temperatury. Prawdopodobną przyczyną tej cechy na gigantach Układu Słonecznego są zorze polarne, dlatego zespół badawczy przypuszczał, że to samo zjawisko odkrył w W1935.
Planetolodzy wiedzą, że jednym z głównych czynników powodujących zorze na Jowiszu i Saturnie są wysokoenergetyczne cząstki pochodzące ze Słońca, które oddziałują z polami magnetycznymi i atmosferą planet, podgrzewając górne warstwy. Jest to również powód powstawania zórz polarnych, które widzimy na Ziemi, powszechnie nazywanych zorzą polarną lub południową, ponieważ są one najbardziej niezwykłe w pobliżu biegunów. Jednak bez gwiazdy macierzystej W1935 wiatr słoneczny nie może przyczynić się do wyjaśnienia.
Istnieje dodatkowy kuszący powód obecności zorzy w naszym Układzie Słonecznym. Zarówno Jowisz, jak i Saturn mają aktywne księżyce, które czasami wyrzucają materię w przestrzeń kosmiczną, wchodzą w interakcję z planetami i wzmacniają ślad zorzy na tych światach. Księżyc Jowisza Io to najbardziej aktywny wulkanicznie świat w Układzie Słonecznym, wyrzucający fontanny lawy na wysokość kilkudziesięciu kilometrów, a księżyc Saturna Enceleadus wyrzuca ze swoich gejzerów parę wodną, która jednocześnie zamarza i wrze, gdy uderza w przestrzeń kosmiczną. Potrzebnych jest więcej obserwacji, ale badacze spekulują, że jednym z wyjaśnień zorzy na W1935 może być aktywny, jeszcze nieodkryty księżyc.
„Za każdym razem, gdy astronom kieruje JWST na jakiś obiekt, istnieje szansa na nowe, oszałamiające odkrycie” – powiedział Faherty. „Kiedy rozpoczynaliśmy ten projekt, nie brałem pod uwagę emisji metanu, ale teraz, gdy wiemy, że może ona mieć miejsce, a wyjaśnienie tego zjawiska jest tak kuszące, stale go poszukuję. To część postępu nauki”.
Inni autorzy badania to Jonathan Gagne z Instytutu Badań nad Egzoplanetami i Université de Montréal; Genaro Suarez, Dan Caselden, Austin Rothermich i Niall Whiteford, Amerykańskie Muzeum Historii Naturalnej; Johanna Vos, Trinity College w Dublinie; Sherelyn Alejandro Merchan, Uniwersytet Miejski w Nowym Jorku; Caroline Morley z Uniwersytetu w Teksasie; Melanie Rowland i Brianna Lacy, Uniwersytet Teksasu, Austin; Rocio Kiman, Charles Beichman, Federico Marocco i Christopher Gelino z Kalifornijskiego Instytutu Technologii; Davy Kirkpatrick, IPAC; Aaron Meisner, NOIRLab; Adam Schneider, USNO; Marc Kuchner i Ehsan Gharib-Nezhad, NASA; Daniella Bardalez Gagliuffi, Amherst; Peter Eisenhardt, Laboratorium Napędów Odrzutowych; i Eileen Gonzales z Uniwersytetu Stanowego w San Francisco.
Prace te były częściowo wspierane przez NASA i Instytut Naukowy Teleskopu Kosmicznego.