Webb wypatruje mini‑brązowe karły w gwiezdnym żłobku IC 348

Gwiezdna fabryka w Perseuszu

NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope pokazał jedno z największych dotąd opublikowanych zdjęć: ogromną, pełną detali panoramę regionu gwiazdotwórczego IC 348 w konstelacji Perseusza, oddalonego o około 1000 lat świetlnych od Ziemi.
Na tym obrazie astronomowie polowali na brązowe karły – obiekty zbyt małe, by stać się prawdziwymi gwiazdami, ale masywniejsze niż typowe planety.

Kolaż ten przedstawia zbiór wycinków z ogromnego obszaru formowania się gwiazd IC 348. Każdy z tych sześciu paneli ukazuje interesujące elementy widoczne w całym polu. ESA/Webb, NASA, CSA, K. Luhman, C. Alves De Oliveira, M. Zamani (ESA/Webb)

W IC 348 udało się odnaleźć brązowe karły o masach zaledwie około dwóch mas Jowisza, czyli około 0,19 procent masy Słońca – to najmniejsze znane brązowe karły i najmniej masywne obiekty, które powstały w procesie gwiazdotwórczym i zostały pewnie zidentyfikowane.
Ich istnienie poważnie testuje teorie formowania gwiazd, które dotąd przewidywały dolną granicę masy takich obiektów znacznie wyżej.

Czym są brązowe karły?

Brązowe karły zajmują pomiędzy na kosmicznej drabince obiektów: są cięższe niż planety, ale nie osiągają temperatur i ciśnień w jądrze potrzebnych do długotrwałego spalania wodoru, tak jak zwykłe gwiazdy.
Powstają podobnie jak gwiazdy – z zapadających się obłoków molekularnych – lecz ich jądra nie rozgrzewają się wystarczająco, aby rozpocząć stabilną reakcję syntezy jąder wodoru w hel.

Klasycznie za dolną granicę masy brązowego karła przyjmuje się około kilkanaście mas Jowisza, bo przy takiej masie obiekt może przez krótki czas spalać cięższy izotop wodoru, deuter.
W IC 348 Webb widzi jednak obiekty o masie porównywalnej do dwóch mas Jowisza, które powstały w gęstym środowisku gwiazdotwórczym – to przesuwa granicę w dół i pokazuje, że proces gwiazdotwórczy może tworzyć jeszcze lżejsze prawie gwiazdy, niż dotąd sądzono.

Jak Webb wyłuskał takie maleństwa?

Zespół kierowany przez Kevina Luhmana korzystał z Webba, aby systematycznie badać IC 348 w kilku kampaniach obserwacyjnych.
Pierwsze obserwacje w 2022 roku ujawniły brązowe karły o masach trzech–czterech Jowiszów, ale astronomowie postanowili sięgnąć jeszcze głębiej, aby sprawdzić, jak małe mogą być obiekty tworzone przez proces gwiazdotwórczy.

W 2024 roku zespół użył kamery NIRCam (Near‑Infrared Camera), aby uchwycić ciepły blask młodych brązowych karłów i nowo narodzonych gwiazd w szerokim polu IC 348.
Na podstawie barw i jasności wytypowano kandydatów na bardzo lekkie brązowe karły, a następnie zbadano je spektroskopowo za pomocą NIRSpec (Near‑Infrared Spectrograph) w 2025 roku, mierząc ich temperatury i charakterystyczne cechy widma.

Te głębokie obserwacje pokazały, że część obiektów ma masy zaledwie około dwóch mas Jowisza i tylko ułamek procenta masy Słońca – to najmniejsze brązowe karły, jakie dotąd znamy, stanowiące poważne wyzwanie dla modeli formowania gwiazd.
Co więcej, jedna z najlżejszych nowo odkrytych prawie gwiazd wykazuje oznaki dysku materii, co sugeruje, że w jej otoczeniu mogą powstawać małe planety wokół obiektu o masie niewiele większej od planety.

IC 348: gwiezdny żłobek pełen niespodzianek

IC 348 to gromada otwarta i region gwiazdotwórczy w ramieniu Drogi Mlecznej, gdzie zimne obłoki molekularne zapadają się grawitacyjnie, rodząc nowe gwiazdy i tworząc rzeźbione przez nie mgławice.
Na obrazie Webba widać mgławicę refleksyjną zapalaną przez młode gwiazdy, gęsty centralny rdzeń gromady oraz liczne słabsze obiekty rozsiane po całym polu widzenia.

W górnej części kadru znajduje się szczególnie spektakularny obszar protogwiazd, gdzie wąskie dżety materii zderzają się z otaczającym gazem i pyłem, tworząc obiekty Herbiga–Haro.
Najbardziej rzuca się w oczy wąski, poziomy obiekt HH 797 – w rzeczywistości dwie blisko położone protogwiazdy o niemal równoległych wypływach – oraz przypominający śmigła HH 211, w którym widać zarówno wąskie dżety, jak i szersze wypływy gazu.

Podczas analizy widm brązowych karłów w IC 348 zespół odkrył również cechę związaną z nieznanym dokładnie węglowodorem, czyli cząsteczką złożoną wyłącznie z atomów wodoru i węgla.
Ta cecha pojawia się wyraźnie tylko w atmosferach najmniej masywnych brązowych karłów, co sugeruje, że mogą one tworzyć osobną klasę widmową wśród tych obiektów.

Co wynika z odkrycia mini‑karłów?

Po pierwsze, nowe obserwacje pokazują, że proces gwiazdotwórczy może sięgać znacznie niżej w masie, niż zakładały klasyczne modele – granica między masywnymi planetami a brązowymi karłami okazuje się bardziej płynna.
To wymusza poprawki w opisach tzw. funkcji mas początkowych, czyli rozkładu liczby obiektów w zależności od masy, w młodych gromadach gwiazd.

Po drugie, głębokie obrazowanie IC 348 pokazuje, że w jednym regionie gwiazdotwórczym współistnieją obiekty od mas zbliżonych do Słońca aż po prawie planety, co pomaga zrozumieć ciągłość między gwiazdami, brązowymi karłami a planetami.
Webb – dzięki wrażliwości w podczerwieni i szerokiemu polu widzenia – pozwala po raz pierwszy badać cały taki łańcuch formowania obiektów w jednym ujęciu, zamiast skupiać się na pojedynczych egzotycznych przypadkach.

Na koniec, dla astronomów zajmujących się egzoplanetami ważne jest to, że najmniej masywne obiekty w IC 348 mogą mieć dyski, w których powstają planety, co otwiera pytanie o układy planetarne wokół obiektów o masach zbliżonych bardziej do planet niż do gwiazd.
Dane wykorzystane do stworzenia tego obrazu pochodzą z programu General Observer 4866, który ma też zbadać, jak liczba takich obiektów o masach planetarnych zmienia się między różnymi regionami gwiazdotwórczymi.