Εντόπισε φαινόμενο σέλαος έξω από Ηλιακό Σύστημα με το James Webb

Χρησιμοποιώντας το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb της NASA, οι αστρονόμοι ανακάλυψαν έναν καφέ νάνο (αντικείμενο με μεγαλύτερη μάζα από τον Δία αλλά μικρότερο από ένα αστέρι) με υπέρυθρη εκπομπή μεθανίου, η οποία πιθανότατα οφείλεται σε ενέργεια στην ανώτερη ατμόσφαιρά του. Πρόκειται για μια απροσδόκητη ανακάλυψη επειδή ο καφέ νάνος, W1935, είναι ψυχρός και δεν έχει άστρο-συνοδό, επομένως, δεν υπάρχει προφανής πηγή για την ενέργεια της ανώτερης ατμόσφαιρας. Η ομάδα εικάζει ότι η εκπομπή μεθανίου μπορεί να οφείλεται σε διεργασίες που δημιουργούν σέλας.

Για να εξηγήσει το μυστήριο της υπέρυθρης εκπομπής του μεθανίου, η ομάδα στράφηκε στο δικό μας Ηλιακό Σύστημα. Η εκπομπή μεθανίου είναι ένα κοινό χαρακτηριστικό σε γίγαντες αερίων όπως ο Δίας και ο Κρόνος. Η θέρμανση της ανώτερης ατμόσφαιρας που τροφοδοτεί αυτή την εκπομπή συνδέεται με το σέλας.

Στη Γη, το σέλας δημιουργείται όταν ενεργητικά σωματίδια που εκτοξεύονται στο Διάστημα από τον Ήλιο συλλαμβάνονται από το μαγνητικό πεδίο της Γης. Κατεβαίνουν στην ατμόσφαιρά μας κατά μήκος των γραμμών του μαγνητικού πεδίου κοντά στους πόλους της Γης, συγκρούονται με αέρια μόρια και δημιουργούν παράξενες, τρεμάμενες «κουρτίνες» φωτός. Ο Δίας και ο Κρόνος έχουν παρόμοιες διεργασίες σέλαος που περιλαμβάνουν αλληλεπίδραση με τον ηλιακό άνεμο, αλλά έχουν επίσης συνεισφορές στο σέλας από κοντινά ενεργά φεγγάρια όπως η Ιώ (για τον Δία) και ο Εγκέλαδος (για τον Κρόνο).

Για απομονωμένους καφέ νάνους όπως ο W1935, η απουσία αστρικού ανέμου που να συμβάλλει στη διαδικασία του σέλαος και να εξηγεί την επιπλέον ενέργεια στην ανώτερη ατμόσφαιρα που απαιτείται για την εκπομπή μεθανίου αποτελεί μυστήριο. Η ομάδα υποθέτει ότι είτε μη υπολογιζόμενες εσωτερικές διεργασίες όπως τα ατμοσφαιρικά φαινόμενα του Δία και του Κρόνου, είτε εξωτερικές αλληλεπιδράσεις με το διαστρικό πλάσμα ή με ένα κοντινό ενεργό φεγγάρι, μπορούν να βοηθήσουν στην εξήγηση της εκπομπής.

Η ανακάλυψη του σέλαος εξελίχθηκε σαν αστυνομικό μυθιστόρημα. Μια ομάδα με επικεφαλής την Jackie Faherty, αστρονόμο στο Αμερικανικό Μουσείο Φυσικής Ιστορίας της Νέας Υόρκης, εξασφάλισε χρόνο με το τηλεσκόπιο James Webb για να εξετάσει 12 ψυχρούς καφέ νάνους. Μεταξύ αυτών ήταν ο W1935 – ένα αντικείμενο που ανακαλύφθηκε από τον επιστήμονα πολίτη Dan Caselden, ο οποίος εργαζόταν με το πρόγραμμα Backyard Worlds zooniverse – και ο W2220, ένα αντικείμενο που ανακαλύφθηκε με τη χρήση του Wide Field Infrared Survey Explorer της NASA. Το James Webb αποκάλυψε με εξαιρετική λεπτομέρεια ότι οι W1935 και W2220 φαινόταν να είναι σχεδόν κλώνοι ο ένας του άλλου ως προς τη σύνθεση. Μοιράζονταν επίσης παρόμοια φωτεινότητα, θερμοκρασίες και φασματικά χαρακτηριστικά νερού, αμμωνίας, μονοξειδίου του άνθρακα και διοξειδίου του άνθρακα. Η εντυπωσιακή εξαίρεση ήταν ότι ο W1935 εμφάνισε εκπομπή από μεθάνιο, σε αντίθεση με το αναμενόμενο χαρακτηριστικό απορρόφησης που παρατηρήθηκε προς τον W2220. Αυτό παρατηρήθηκε σε ένα ξεχωριστό υπέρυθρο μήκος κύματος στο οποίο το James Webb είναι ιδιαίτερα ευαίσθητο.

«Περιμέναμε να παρατηρήσουμε μεθάνιο επειδή το μεθάνιο βρίσκεται παντού σε αυτούς τους καφέ νάνους. Αλλά αντί να απορροφά το φως, είδαμε ακριβώς το αντίθετο: Το μεθάνιο έλαμπε. Η πρώτη μου σκέψη ήταν, τι στο καλό; Γιατί υπάρχει εκπομπή μεθανίου από αυτό το αντικείμενο;» δήλωσε η Faherty.

Η ομάδα χρησιμοποίησε υπολογιστικά μοντέλα για να συμπεράνει τι μπορεί να κρύβεται πίσω από την εκπομπή. Οι εργασίες μοντελοποίησης έδειξαν ότι ο W2220 είχε την αναμενόμενη κατανομή της ενέργειας σε όλη την ατμόσφαιρα, με αποτέλεσμα να γίνεται ψυχρότερος με την αύξηση του υψομέτρου. Ο W1935, από την άλλη πλευρά, παρουσίασε ένα αναπάντεχο χαρακτηριστικό. Το καλύτερο μοντέλο ευνοούσε μια θερμοκρασιακή αναστροφή, όπου η ατμόσφαιρα γινόταν θερμότερη με την αύξηση του υψομέτρου. 

«Αυτή η θερμοκρασιακή αναστροφή είναι πραγματικά αινιγματική», δήλωσε ο Ben Burningham, συν-συγγραφέας από το Πανεπιστήμιο του Hertfordshire στην Αγγλία και επικεφαλής μοντελοποίησης της εργασίας. «Έχουμε δει αυτού του είδους το φαινόμενο σε πλανήτες με ένα κοντινό άστρο που μπορεί να θερμάνει τη στρατόσφαιρα, αλλά το να το βλέπουμε σε ένα αντικείμενο χωρίς προφανή εξωτερική πηγή θερμότητας είναι τρελό».

Προς αναζήτηση ενδείξεων, η ομάδα έψαξε στην γειτονιά μας, στους πλανήτες του Ηλιακού μας Συστήματος. Οι αέριοι γίγαντες μπορούν να χρησιμεύσουν ως παραδείγματα για το τι βλέπουμε να συμβαίνει σε απόσταση μεγαλύτερη των 40 ετών φωτός στην ατμόσφαιρα του W1935.

Η ομάδα συνειδητοποίησε ότι οι θερμοκρασιακές αναστροφές είναι εμφανείς σε πλανήτες όπως ο Δίας και ο Κρόνος. Συνεχίζονται ακόμη οι έρευνες για την κατανόηση των αιτιών της θέρμανσης της στρατόσφαιρας τους, αλλά οι επικρατέστερες θεωρίες για το Ηλιακό Σύστημα περιλαμβάνουν την εξωτερική θέρμανση από το Σέλας και την εσωτερική μεταφορά ενέργειας από βαθύτερα στην ατμόσφαιρα (με την πρώτη να αποτελεί την κύρια εξήγηση).

Αυτή δεν είναι όμως η πρώτη φορά που ένα σέλας χρησιμοποιείται για να εξηγήσει την παρατήρηση ενός καφέ νάνου. Οι αστρονόμοι έχουν ανιχνεύσει ραδιοεκπομπή προερχόμενη από αρκετούς θερμότερους καφέ νάνους και επικαλέστηκαν το σέλας ως την πιο πιθανή εξήγηση. Έγιναν έρευνες με επίγεια τηλεσκόπια, όπως το παρατηρητήριο Keck, για υπέρυθρες υπογραφές από αυτούς τους καφέ νάνους που εκπέμπουν ραδιοκύματα για τον περαιτέρω χαρακτηρισμό του φαινομένου, αλλά ήταν ατελέσφορες. Το σέλας του W1935 είναι το πρώτο που παρατηρείται εκτός του Ηλιακού Συστήματος με υπογραφή εκπομπής μεθανίου. 

Στο Ηλιακό μας Σύστημα ο ηλιακός άνεμος είναι ο κύριος παράγοντας που συμβάλλει στις διεργασίες του σέλαος, ενώ ενεργά φεγγάρια όπως η Ιώ και ο Εγκέλαδος παίζουν ρόλο για πλανήτες όπως ο Δίας και ο Κρόνος, αντίστοιχα. Από τον W1935 λείπει εντελώς ένα συνοδό άστρο, οπότε ο αστρικός άνεμος δεν μπορεί να συμβάλει στο φαινόμενο. Μένει να δούμε αν ένα ενεργό φεγγάρι θα μπορούσε να παίξει ρόλο στην εκπομπή μεθανίου στον W1935.

«Με τον W1935, έχουμε τώρα μια θεαματική επέκταση ενός φαινομένου του Ηλιακού Συστήματος χωρίς καμία αστρική ακτινοβολία που να βοηθά στην εξήγηση», σημείωσε η Faherty. «Με το James Webb, μπορούμε πραγματικά να κοιτάξουμε στη Χημεία και να δούμε πόσο παρόμοια ή διαφορετική μπορεί να είναι η διαδικασία του σέλαος πέρα από το Ηλιακό μας Σύστημα».

[NASA]