Een primeur – NASA meet de windsnelheid op een bruine dwerg

Niet helemaal planeten en niet helemaal sterren, bruine dwergen zijn kosmische tussenpersonen. Leren over hun atmosfeer kan ons helpen gigantische planeten rond andere sterren te begrijpen.

Voor het eerst hebben wetenschappers de windsnelheid direct gemeten op een bruine dwerg, een object dat groter is dan Jupiter maar niet helemaal massief genoeg om een ​​ster te worden. Om de bevinding te bereiken, gebruikten ze een nieuwe methode die ook kon worden gebruikt om meer te weten te komen over de atmosfeer van door gas gedomineerde planeten buiten ons zonnestelsel.

Bij de foto: Het concept van deze kunstenaar toont een bruine dwerg, een object dat minstens 13 keer de massa van Jupiter is, maar niet massief genoeg om kernfusie in zijn kern te beginnen, wat het bepalende kenmerk van een ster is. Een wetenschapper die NASA's Spitzer-ruimtetelescoop gebruikte, heeft onlangs de eerste directe meting van wind op een bruine dwerg gedaan. Foto afkomstig van NASA / JPL-Caltech.

Het werk, beschreven in een paper in het tijdschrift Science, combineert observaties door een groep radiotelescopen met gegevens van NASA's onlangs gepensioneerde infrarood-observatorium, de Spitzer Space Telescope, beheerd door het Jet Propulsion Laboratory van het bureau in Californië.

Het doel van de nieuwe studie was een bruine dwerg, officieel met de naam “2MASS J10475385 + 2124234”, gelegen op 32 lichtjaar van de aarde - kosmisch gezien is dat op een steenworp ver. De onderzoekers ontdekten winden die zich rond de planeet bewogen met een snelheid van 2.293 km/uur. Ter vergelijking: de atmosfeer van Neptunus heeft de snelste winden in het zonnestelsel, met een snelheid van meer dan 2.000 km/u.

Het meten van de windsnelheid op aarde betekent het vergelijken van de beweging van onze gasatmosfeer ten opzichte van het vaste oppervlak van onze planeet. Maar bruine dwergen bestaan ​​bijna geheel uit gas, dus 'wind' verwijst naar iets anders. De bovenste lagen van een bruine dwerg zijn waar delen van het gas onafhankelijk kunnen bewegen. Op een bepaalde diepte wordt de druk zo intens dat het gas zich gedraagt ​​als een enkele, stevige bal die wordt beschouwd als het binnenste van het object. Terwijl dat binnenste draait, trekt het de bovenste lagen - de atmosfeer - mee zodat de twee bijna synchroon lopen.

Bij de foto: Bruine dwergen zijn zwaarder dan planeten, maar niet zo zwaar als sterren. Over het algemeen hebben ze tussen de 13 en 80 keer de massa van Jupiter. Een bruine dwerg wordt een ster als de kerndruk hoog genoeg wordt om kernfusie te starten. Foto afkomstig van NASA / JPL-Caltech.

In hun studie maten de onderzoekers het kleine snelheidsverschil tussen de atmosfeer van de bruine dwerg en dat binnenste. Met een atmosferische temperatuur van meer dan 600 graden Celsius straalt deze specifieke bruine dwerg een aanzienlijke hoeveelheid infrarood licht uit. In combinatie met de nabijheid van de aarde, maakte dit kenmerk het voor Spitzer mogelijk om details in de atmosfeer van de bruine dwerg te detecteren terwijl ze in en uit het zicht roteren. Het team gebruikte die functies om de atmosferische rotatiesnelheid te klokken.

Om de snelheid van het binnenste te bepalen, richtten ze zich op het magnetische veld van de bruine dwerg. Een relatief recente ontdekking wees uit dat het binnenste van bruine dwergen sterke magnetische velden genereren. Terwijl de bruine dwerg draait, versnelt het magnetische veld geladen deeltjes die op hun beurt radiogolven produceren, die de onderzoekers ontdekten met de radiotelescopen in de Karl G. Jansky Very Large Array in New Mexico.

De nieuwe studie is de eerste die deze vergelijkende methode voor het meten van windsnelheid op een bruine dwerg aantoont. Om de nauwkeurigheid te meten, testte de groep de techniek met behulp van infrarood- en radio-observaties van Jupiter, die ook grotendeels uit gas bestaat en een fysieke structuur heeft die lijkt op een kleine bruine dwerg. Het team vergeleek de rotatiesnelheden van de atmosfeer en het binnenste van Jupiter met gegevens die vergelijkbaar waren met wat ze konden verzamelen voor de veel verder weg gelegen bruine dwerg. Vervolgens bevestigden ze hun berekening voor de windsnelheid van Jupiter met behulp van meer gedetailleerde gegevens die werden verzameld door sondes die Jupiter van dichtbij hebben bestudeerd, en toonden daarmee aan dat hun aanpak voor de bruine dwerg werkte.

Wetenschappers hebben eerder Spitzer gebruikt om de aanwezigheid van winden op exoplaneten en bruine dwergen af ​​te leiden op basis van variaties in de helderheid van hun atmosfeer in infrarood licht. En gegevens van de High Accuracy Radial velocity Planet Searcher (HARPS) - een instrument op de La Silla-telescoop van de European Southern Observatory in Chili - zijn gebruikt om een ​​directe meting te doen van windsnelheden op een verre planeet.

Maar met het nieuwe artikel is het de eerste keer dat wetenschappers de atmosferische snelheid rechtstreeks vergelijken met de snelheid van het binnenste van een bruine dwerg. De gebruikte methode kan volgens de auteurs worden toegepast op andere bruine dwergen of op grote planeten als de omstandigheden goed zijn.

"We denken dat deze techniek erg waardevol kan zijn om inzicht te geven in de dynamiek van exoplaneetatmosferen", zegt hoofdauteur Katelyn Allers, universitair hoofddocent natuurkunde en astronomie aan de Bucknell University in Lewisburg, Pennsylvania. "Wat echt opwindend is, is te kunnen leren hoe de chemie, de atmosferische dynamiek en de omgeving rond een object met elkaar zijn verbonden, en het vooruitzicht om een ​​echt alomvattend beeld te krijgen van deze werelden."

De Spitzer-ruimtetelescoop werd op 30 januari 2020 buiten dienst genomen, na meer dan 16 jaar in de ruimte. JPL beheerde Spitzer-missieoperaties voor NASA's Science Mission Directorate in Washington. Wetenschappelijke gegevens van Spitzer worden nog steeds geanalyseerd door de wetenschappelijke gemeenschap via het Spitzer-gegevensarchief in het Infrared Science Archive, gehuisvest bij IPAC in Caltech. Wetenschappelijke operaties werden uitgevoerd in het Spitzer Science Center bij IPAC in Caltech in Pasadena. Het opvolgen van ruimtevaartuigen gebeurt bij Lockheed Martin Space in Littleton, Colorado. Caltech beheert JPL voor NASA.

Auteur: Jan Vyvey
Bron: JPL