Czy prawie gwiazda może być mniej masywna od planety? Webb szuka odpowiedzi

Nauka związana z tworzeniem się planet i gwiazd oraz ich ewolucją jest fascynująca, jednak trzeba ją odpowiednio wyłożyć. Bo gdy powiemy tylko, że Jowisz, który wciąż jest w bardzo dobrej pozycji do amatorskich obserwacji, ma masę kilkadziesiąt razy za małą, by stać się gwiazdą, to będzie to suchy fakt. Lecz gdy dodać to tego drobną informację, że najmniejsze gwiazdy są niewiele większe od Jowisza, to zaczyna robić się ciekawie.

Gdy mówimy o powstawaniu planet to najczęściej mamy przed oczami taki obraz jak zderzające się fragmenty skalne, ale też lodowe czy lodowo-skalne, które z czasem tworzą coraz większą bryłę. Ta bryła w pewnym momencie przyjmuje zbliżony do kuli kształt i zaczyna się cykl życia planety. W przypadku planet gazowych duża masa takiego protoplanetarnego obiektu sprawia, że zaczyna on też czyścić okoliczną przestrzeń z pozostałej materii w tym materii gazowej. Ciekawym jest też fakt, że w naszym układzie planetarnym mamy cztery gazowe giganty, ale naprawdę zasługującą na miano typowego gazowego giganta jest tylko jedna. Uran i Neptun to bardziej lodowe giganty (w praktyce chodzi o to, że wodór i hel nie są tam tak istotnym składnikiem), natomiast tylko Jowisz jest planetą, która, gdyby była masywniejsza, mogłaby stać się brązowym karłem, czyli taką niedziałająca gwiazdą, bez reakcji jądrowych zachodzących w jej wnętrzu.

Saturn nie stał się nigdy na tyle masywny, by konkurować z Jowiszem

Saturn, który wydaje się być niewiele mniejszy od Jowisza, wydaje się być podobny własnościami, bo jedna i druga mają rozbudowane systemy satelitów, obie mają pierścienie, choć to w przypadku Saturna jako jedynego możemy je obserwować dobrze z Ziemi. W rzeczywistości jednakże, gdy przyjrzeć się wnętrzu obu z planet, naukowcy widzą je jako dwa odmienne światy. Saturn tylko aspiruje do miana gazowego giganta, przede wszystkim rozmiarem, bo nie masą, która jest około 3,4 raza mniejsza niż w przypadku Jowisza, a patrząc się na rozmiary powinna być podobna. Astronomowie przypuszczają, że Saturn nie dostał szansy, inaczej mówiąc nie przekroczył granicznej masy 100 mas Ziemi, by zacząć intensywniej akumulować masę. Jowisz jest 318 razy masywniejszy od Ziemi, Saturn tylko 95 razy, ale ten drugi ma tylko 1,16 raza mniejszą średnicę.

Dwa schematy powstawania planet gazowych gigantów. (fot: ESO)

Być może odpowiedzialny za to jest proces w jaki powstał Jowisz i Saturn. Choć obie to planety, to niedawno astronomowie doszli do wniosku, że niektóre bardzo masywne planety mogą powstawać w sposób podobny jak gwiazdy. Nie poprzez stopniową akumulację materii, ale przez zapadanie się masywnego jej obłoku. Nie zawsze z tego procesu powstaje gwiazda, taki obłok może być na tyle masywny, że zapadnie się od razu do czarnej dziury, ale też może być na tyle lekki, że powstanie z niego tak zwany brązowy karzeł. To obiekt, który podobnie jak Jowisz emituje dużo ciepła w wyniku wciąż postępującego, choć powoli, zapadania, ale nie jest w stanie rozpalić ognia fuzji jądrowej w swoim wnętrzu. Brązowe karły są z tego powodu bardzo trudne do obserwacji.

Najmniejsze brązowe karły wykryte w IC348

Jak mały może być brązowy karzeł, czyli jak mała może być taka niedziałająca gwiazda, to właśnie pytanie, które dzięki obserwacjom teleskopu kosmicznego Webb zyskało nową odpowiedź. Najmniej masywne obiekty jakie zasługują na miano brązowych karłów udało się wykryć w mgławicy IC348, która znajduje się całkiem niedaleko od nas, bo w odległości około 1000 lat świetlnych, w rejonie gwiazdotwórczym w kierunku konstelecji Perseusza.

Trzy brązowe karły i ich pozycje na tle mgławicy IC348. (fot: Webb)

To jak podkreślają obserwatorzy młoda struktura, która ma tylko 5 milionów lat. Ewolucyjnie to tyle co nic, dla takiej gwiazdy jak Słońce to również niedługi czas, a dla najlżejszych znanych nam czerwonych karłów (najmniejszych gwiazd), to wręcz mgnienie oka, bo ich czas istnienia jako zwykłej gwiazdy jest dłuższy niż obecny czas istnienia wszechświata.

W tak młodej strukturze wszelkie brązowe karły, które tam powstały będą wciąż wystarczająco gorące, by dały się zaobserwować w świetle podczerwonym, które jest domeną Webba. I tak wykryto trzy obiekty, których masa nie przekracza 8 mas Jowisza. Najlżejszy z nich ma nawet tylko 3 do 4 mas Jowisza, a mimo to jest brązowym karłem. I tu pojawia się pytanie, jak to możliwe i czy na pewno to brązowy karzeł? Bo upłynęło za mało czasu by uformowały się jako planeta i zostały wyrzucone z macierzystych układów planetarnych. Poza tym w IC348 powstają tylko mało masywne gwiazdy, a wokół takich raczej nie powstają tak masywne planety. Powstanie brązowego karła, o masie zbliżonej do masy Jowisza, w otwartej przestrzeni kosmicznej jest trudne do wyjaśnienia z pomocą modeli zapadającej się chmury gazu.

Wspólny mianownik najmniejszych brązowych karłów i największych planet

Być może te najmniej masywne brązowe karły i największe superjowisze, których nie brakuje wśród kandydatek na egzoplanety, maja ze sobą coś wspólnego. W obserwacjach spektroskopowych przeprowadzonych przez Webba udało się zauważyć sygnatury węglowodorów, których teoretycznie nie powinno być w brązowych karłach, natomiast występują one w atmosferach Jowisza jak i Saturna. Być może granica pomiędzy planetą i brązowym karłem jest bardziej rozmyta niż to nam się wydaje.

Źródło: NASA, Webb, inf. własna