Jupiter könnte der Tyrannenplanet unseres Sonnensystems sein, weil er der massereichste Planet ist. Aber es ist eigentlich ein Zwerg im Vergleich zu vielen der riesigen Planeten, die um andere Sterne herum gefunden werden.

Diese außerirdischen Welten, Super-Jupiter genannt, wiegen bis zum 13-fachen der Masse des Jupiter. Astronomen haben die Zusammensetzung einiger dieser Monster analysiert. Es war jedoch schwierig, ihre Atmosphären im Detail zu untersuchen, da sich diese Gasriesen im Glanz ihrer Muttersterne verlieren.

Forscher haben jedoch einen Ersatz: die Atmosphären von Braunen Zwergen, sogenannten gescheiterten Sternen, die bis zu 80 Mal die Masse des Jupiter haben. Diese schweren Objekte bilden sich aus einer kollabierenden Gaswolke, wie es Sterne tun, aber sie haben nicht die Masse, um heiß genug zu werden, um die Kernfusion in ihren Kernen aufrechtzuerhalten, die Sterne antreibt.

Stattdessen teilen Braune Zwerge eine Verwandtschaft mit Super-Jupitern. Beide Arten von Objekten haben ähnliche Temperaturen und sind extrem massiv. Sie haben auch komplexe, abwechslungsreiche Atmosphären. Der einzige Unterschied, denken Astronomen, ist ihr Stammbaum. Super-Jupiter bilden sich um Sterne herum; Braune Zwerge bilden sich oft isoliert.

Ein Team von Astronomen unter der Leitung von Elena Manjavacas vom Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, hat einen neuen Weg getestet, um durch die Wolkenschichten dieser nomadischen Objekte zu blicken. Mit einem Instrument am WM Keck Observatory auf Hawaii untersuchten die Forscher im nahen Infrarotlicht die Farben und Helligkeitsschwankungen der Schichtkuchen-Wolkenstruktur im nahe gelegenen, frei schwebenden Braunen Zwerg namens 2MASS J22081363+2921215.

Das Instrument des Keck-Observatoriums, genannt Multi-Object Spectrograph for Infrared Exploration (MOSFIRE), analysierte auch die spektralen Fingerabdrücke verschiedener chemischer Elemente, die in den Wolken enthalten sind, und wie sie sich mit der Zeit ändern. Dies ist das erste Mal, dass Astronomen das MOSFIRE-Instrument für diese Art von Studie verwenden.

Diese Messungen boten Manjavacas eine ganzheitliche Sicht auf die atmosphärischen Wolken des Braunen Zwergs und lieferten mehr Details als frühere Beobachtungen dieses Objekts. Diese Technik wurde von Hubble-Beobachtungen entwickelt und ist für bodengestützte Teleskope aufgrund der Kontamination durch die Erdatmosphäre, die bestimmte Infrarotwellenlängen absorbiert, schwierig durchzuführen. Diese Absorptionsrate ändert sich witterungsbedingt.

“Die einzige Möglichkeit, dies vom Boden aus zu tun, ist die Verwendung des hochauflösenden MOSFIRE-Instruments, da wir damit mehrere Sterne gleichzeitig mit unserem Braunen Zwerg beobachten können”, erklärte Manjavacas. „Dies ermöglicht es uns, die durch die Erdatmosphäre eingeführte Kontamination zu korrigieren und das wahre Signal des Braunen Zwergs mit hoher Präzision zu messen. Diese Beobachtungen sind also ein Beweis dafür, dass MOSFIRE diese Art von Studien an Braunen Zwergen durchführen kann Atmosphären.”

Manjavacas wird ihre Ergebnisse am 9. Juni in einer Pressekonferenz beim virtuellen Treffen der American Astronomical Society präsentieren .

Der Forscher hat sich entschieden, diesen Braunen Zwerg zu untersuchen, weil er sehr jung und daher extrem hell ist und noch nicht abgekühlt ist. Seine Masse und Temperatur ähneln denen des nahegelegenen riesigen Exoplaneten Beta Pictoris b, der 2008 in Nahinfrarotbildern des Very Large Telescope der Europäischen Südsternwarte im Norden Chiles entdeckt wurde.

“Wir haben mit der aktuellen Technologie noch nicht die Möglichkeit, die Atmosphäre von Beta Pictoris b im Detail zu analysieren”, sagte Manjavacas. “Also verwenden wir unsere Studie der Atmosphäre dieses Braunen Zwergs als Proxy, um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie die Wolken des Exoplaneten in verschiedenen Höhen seiner Atmosphäre aussehen könnten.”

Sowohl der Braune Zwerg als auch Beta Pictoris b sind jung, strahlen also im nahen Infrarot stark Wärme ab. Sie sind beide Mitglieder einer Herde von Sternen und substellaren Objekten, die als Beta Pictoris-Bewegungsgruppe bezeichnet werden und den gleichen Ursprung und eine gemeinsame Bewegung durch den Weltraum haben. Die etwa 33 Millionen Jahre alte Gruppe ist die der Erde am nächsten liegende Gruppe junger Sterne. Es befindet sich etwa 115 Lichtjahre entfernt.

Obwohl sie kühler sind als echte Sterne, sind Braune Zwerge immer noch extrem heiß. Der Braune Zwerg in Manjavacas Arbeitszimmer hat eine brutzelnde 2.780 Grad Fahrenheit (1.527 Grad Celsius).

Das Riesenobjekt ist etwa 12-mal schwerer als Jupiter. Als junger Körper dreht er sich unglaublich schnell und führt alle 3,5 Stunden eine Rotation durch, verglichen mit der 10-Stunden-Rotationsperiode des Jupiter. Wolken peitschen es also und schaffen eine dynamische, turbulente Atmosphäre.

Das MOSFIRE-Instrument des Keck-Observatoriums starrte den Braunen Zwerg 2,5 Stunden lang an und beobachtete, wie das Licht, das aus dem heißen Inneren des Zwergs durch die Atmosphäre dringt, mit der Zeit heller und schwächer wird. Helle Flecken, die auf dem rotierenden Objekt erscheinen, zeigen Regionen an, in denen Forscher tiefer in die Atmosphäre sehen können, wo es heißer ist. Infrarotwellenlängen ermöglichen es Astronomen, tiefer in die Atmosphäre zu blicken. Die Beobachtungen deuten darauf hin, dass der Braune Zwerg eine gesprenkelte Atmosphäre mit vereinzelten Wolken hat. Aus der Nähe betrachtet könnte es einem geschnitzten Halloween-Kürbis ähneln, aus dessen heißem Inneren Licht entweicht.

Sein Spektrum zeigt Wolken aus heißen Sandkörnern und anderen exotischen Elementen. Kaliumjodid verfolgt die obere Atmosphäre des Objekts, zu der auch Magnesiumsilikatwolken gehören. In der Atmosphäre bewegt sich eine Schicht aus Natriumjodid- und Magnesiumsilikatwolken nach unten. Die letzte Schicht besteht aus Aluminiumoxidwolken. Die Gesamttiefe der Atmosphäre beträgt 446 Meilen (718 Kilometer). Die nachgewiesenen Elemente stellen einen typischen Teil der Zusammensetzung der Atmosphären der Braunen Zwerge dar, sagte Manjavacas.

Die Forscherin und ihr Team nutzten Computermodelle der Atmosphären von Braunen Zwergen, um die Lage der chemischen Verbindungen in jeder Wolkenschicht zu bestimmen.

Manjavacas Plan ist es, das MOSFIRE des Keck-Observatoriums zu nutzen, um andere Atmosphären von Braunen Zwergen zu untersuchen und sie mit denen von Gasriesen zu vergleichen. Zukünftige Teleskope wie das James Webb Space Telescope der NASA , ein Infrarot-Observatorium, das noch in diesem Jahr starten soll, werden noch mehr Informationen über die Atmosphäre eines Braunen Zwergs liefern. “JWST wird uns die Struktur der gesamten Atmosphäre liefern und mehr Abdeckung bieten als jedes andere Teleskop”, sagte Manjavacas.

Der Forscher hofft, dass MOSFIRE zusammen mit JWST verwendet werden kann, um eine Vielzahl von Braunen Zwergen zu beproben. Das Ziel ist ein besseres Verständnis von Braunen Zwergen und Riesenplaneten.

CREDITS:

Donna Weaver
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland

Christine Pulliam
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland

WISSENSCHAFTLICHER KONTAKT:

Elena Manjavacas
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland

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