Záhada izolovaného hnědého trpaslíka W1935: Webbův teleskop objevil polární záři na tělese bez mateřské hvězdy

Umělecká vize osamělého chladného hnědého trpaslíka W1935 plujícího mezihvězdným prostorem. V jeho atmosféře detekoval Webbův teleskop nečekanou infračervenou emisi metanu svědčící o přítomnosti polárních září. Kredit: NASA / ESA / CSA / Leah Hustak (STScI)

Hnědí trpaslíci bývají v populární literatuře často označováni jako „nepovedené hvězdy“. S hmotnostmi pohybujícími se mezi 13 a 80 násobkem hmotnosti Jupiteru představují chybějící mezičlánek mezi plynnými obry a nejmenšími stálicemi. Jsou příliš hmotní na to, aby byli považováni za běžné planety, ale zároveň mají příliš malou gravitaci na to, aby tlak a teplota v jejich nitru dokázaly zažehnout stabilní fúzi obyčejného vodíku na helium. Po krátké epizodě spalování deuteria v raném mládí tito osamělí poutníci po zbytek věku vesmíru pouze pozvolna chladnou a vyhasínají.

Vědecký tým pod vedením Jackie Fahertyové z Amerického přírodovědného muzea (AMNH) v New Yorku využil infračervený zrak Vesmírného dalekohledu Jamese Webba (JWST) ke srovnávacímu výzkumu dvou extrémně chladných hnědých trpaslíků spektrální třídy Y: W1935 (WISE J193518.59-154620.3) a W2220 (WISE J222055.31-362817.4). Oba objekty se nacházejí zhruba 47 světelných let od Země, vykazují srovnatelnou efektivní teplotu kolem 200 °C (zhruba 480 Kelvinů) a volně plují mezihvězdným prostorem bez jakékoliv mateřské hvězdy. Spektrograf NIRSpec však u W1935 odhalil anomálii, která vyrazila astrofyzikům dech: poprvé v historii byla zaznamenána spektakulární polární záře (aurora) na osamělém tělese, které nemá žádnou mateřskou hvězdu.

Hnědí trpaslíci třídy Y: Na mrazivé hranici mezi hvězdami a obřími planetami

Spektrální klasifikace podhvězdných objektů končí třídami L, T a Y. Zatímco třída L zahrnuje ještě relativně teplá tělesa s teplotami přes 1 500 K, spektrální třída Y představuje nejchladnější známou kategorii v celém vesmíru:

• Efektivní teploty těchto těles klesají hluboko pod 500 Kelvinů – jsou tedy chladnější než běžná domácí trouba na pečení a nejstudenější z nich dosahují teploty lidského těla či bodu mrazu vody.
• V jejich hustých atmosférách dominují molekuly vody, čpavku a metanu, přičemž se v nich tvoří oblaka vodního ledu a sulfidu draselného.
• Většina těchto objektů byla objevena díky infračervené družici NASA WISE (Wide-field Infrared Survey Explorer), která skenovala celou oblohu v tepelném spektru.

Vzhledem k absenci hvězdného ohřevu by atmosféry těchto izolovaných těles měly podléhat čisté radiačně-konvektivní rovnováze: čím výše v atmosféře se nacházíme, tím by měla být teplota nižší. U hnědého trpaslíka W2220 tomu tak skutečně je. U jeho zdánlivého dvojčete W1935 však Webbův teleskop narazil na jev, který toto pravidlo zcela popírá.

Spektroskopie NIRSpec: Šokující emisní linie metanu

Když spektrograf NIRSpec na palubě JWST zamířil na W1935 v rámci pozorovacího programu Cycle 1, astronomové očekávali klasické absorpční spektrum. Na vlnové délce 3,32 mikrometru se nachází fundamentální vibrační pás molekuly metanu (CH₄):

• U trpaslíka W2220 metan v chladných horních vrstvách poslušně absorboval záření vystupující z hlubších horkých vrstev, což vedlo k očekávanému hlubokému poklesu ve spektrální křivce.
• U trpaslíka W1935 však spektrograf na identické vlnové délce zaznamenal ostrý, jasný emisní pík. Místo aby metan světlo pohlcoval, sám energii intenzivně vyzařoval.

Přítomnost emisního píku je v planetární fyzice nezvratným důkazem teplotní inverze: horní vrstvy atmosféry (stratosféra) musejí být o stovky stupňů teplejší než husté vrstvy plynu ležící bezprostředně pod nimi.

Teplotní inverze bez mateřské hvězdy: Kde se bere energie?

Na planetách naší Sluneční soustavy jsou stratosférické inverze dobře známým jevem:

• Na Zemi ohřívá stratosféru absorpce slunečního ultrafialového záření ozonovou vrstvou.
• Na Jupiteru a Saturnu absorbují sluneční fotony uhlovodíkové aerosoly a fotochemický smog.

Jenže W1935 je osamělý objekt plující v ledové prázdnotě mezihvězdného prostoru. V jeho okolí se nenachází žádná hvězda, jejíž záření by mohlo horní atmosféru ohřívat. Přenos tepla z horkého nitra navíc z principu termodynamiky nemůže zahřát horní vrstvy na teplotu vyšší, než jakou mají vrstvy spodní.

Detailní numerické modelování atmosféry provedené Benem Burninghamem z University of Hertfordshire ukázalo, že jediné fyzikální řešení představuje mohutná polární záře:

1. Do polárních oblastí W1935 shora padá souvislý proud vysokoenergetických elektronů a iontů o energiích v řádu kilo elektronvoltů (keV).
2. Tyto nabité částice jsou silným dipólovým magnetickým polem hnědého trpaslíka usměrňovány do horních vrstev atmosféry při tlacích 1 až 100 milibarů.
3. Kinetická energie srážek nabitých částic s molekulami vodíku a metanu se mění v tepelnou energii a zahřívá stratosféru až o stovky kelvinů nad rovnovážnou teplotu.
4. Přehřátý metan v této polární peci následně přebytečnou energii vyzařuje právě na vlnové délce 3,32 mikrometru.

Tajemství skrytého měsíce: Mimozemský vulkanismus v mezihvězdné temnotě

Objev polární záře na tělese bez mateřské hvězdy však okamžitě otevřel ještě hlubší kosmickou záhadu: odkud se berou ony nabité částice?

V případě pozemské polární záře je zdrojem sluneční vítr – proud plazmy vyvrhovaný Sluncem. Na W1935 však žádný hvězdný vítr nedopadá. V naší Sluneční soustavě však existuje ještě jeden, mnohem mocnější mechanismus: systém Jupiteru a měsíce Io.

• Vulkanický měsíc🪐 AstroWiki EncyklopedieMěsícMěsíc je jediný přirozený satelit Země, pátý největší měsíc Sluneční soustavy, těleso vzniklé obřím impaktem protoplanety Theia a dosud jedi...Otevřít heslo v encyklopedii → Io chrlí do vesmíru každou sekundu tunu oxidu siřičitého ze svých stovek aktivních sopek.
• Tento plyn je ionizován a vytváří kolem planety gigantický plazmový prstenec (Io plasma torus).
• Rychle rotující magnetosféra Jupiteru tuto plazmu urychluje na relativistické rychlosti a pumpuje ji podél magnetických siločar přímo do polárních oválů obří planety.
• Podobný proces pohánějí také ledové gejzíry kryovulkanického měsíce Enceladus🪐 AstroWiki EncyklopedieEnceladusZářivě bílý ledový měsíc Saturnu s globálním slaným oceánem, hydrotermální aktivitou a obřími kryovulkanickými gejzíry....Otevřít heslo v encyklopedii → v magnetosféře Saturnu.

Vědci proto formulovali revoluční hypotézu: osamělý hnědý trpaslík W1935 není sám. Kolem tohoto chladného světa velmi pravděpodobně krouží dosud neobjevený aktivní exoměsíc – vulkanický svět velikosti Io nebo kryovulkanické ledové těleso, které zásobuje magnetosféru svého pána nepřetržitým přísunem iontů.

„Detekce emise metanu na takto chladném tělese byla obrovským překvapením. Znamená to, že polární záře a magnetosférické interakce nejsou výsadou planet osvětlovaných hvězdami, ale představují univerzální proces v celém vesmíru. Může jít o vůbec první nepřímý důkaz přítomnosti aktivního měsíce u izolovaného podhvězdného objektu,“ komentovala objev vedoucí studie Jackie Fahertyová.

Tento převratný výzkum dokazuje, že i v naprosté temnotě mezihvězdného prostoru, kde neexistuje žádný den ani noc, mohou probíhat velkolepé elektromagnetické bouře a zářit polární záře gigantických rozměrů, napájené neviditelnými sopečnými světy.

Reference

1. Faherty, J. K., et al. (2024). Methane emission in a cool brown dwarf: Evidence for an aurora in a 400 K rogue world. Nature, 628(8008), 511–514. DOI: 10.1038/s41586-024-07190-w.
2. Kirkpatrick, J. D., et al. (2021). The field substellar mass function based on the full-sky 20-pc census of 525 L, T, and Y dwarfs. The Astrophysical Journal Supplement Series, 253(1), 7. DOI: 10.3847/1538-4365/abd107.
3. Nichols, J. D., et al. (2012). Origin of electron beams powering auroral emission on brown dwarfs. The Astrophysical Journal, 760(1), 59. DOI: 10.1088/0004-637X/760/1/59.
4. Morley, C. V., et al. (2014). Thermal emission and variability of cold Y dwarfs with clouds and hazes. The Astrophysical Journal, 787(1), 78. DOI: 10.1088/0004-637X/787/1/78.
5. Saur, J., et al. (2013). Magnetic energy fluxes in sub-Alfvénic planet-star and moon-planet interactions. Astronomy & Astrophysics, 552, A119. DOI: 10.1051/0004-6361/201118274.
6. Burningham, B., et al. (2021). Retrieval of atmospheric properties of Y dwarfs using high-resolution spectroscopy. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 506(2), 1944–1961. DOI: 10.1093/mnras/stab1815.