Les observations d'une naine brune à proximité suggèrent qu'elle a une atmosphère marbrée avec des nuages épars et de mystérieuses taches sombres rappelant la grande tache rouge de Jupiter, comme le montre le concept de cet artiste. L'objet nomade, appelé 2MASS J22081363+2921215, ressemble à une citrouille d'Halloween sculptée, avec de la lumière s'échappant de son intérieur chaud. Les naines brunes sont plus massives que les planètes mais trop petites pour soutenir la fusion nucléaire, qui alimente les étoiles. Bien qu'à seulement environ 115 années-lumière, la naine brune est trop éloignée pour que des traits soient photographiés. Au lieu, les chercheurs ont utilisé le spectrographe multi-objets pour l'exploration infrarouge (MOSFIRE) à l'observatoire W. M. Keck à Hawaï pour étudier les couleurs et les variations de luminosité de la structure nuageuse en couches de la naine brune, comme on le voit en lumière proche infrarouge. MOSFIRE a également collecté les empreintes spectrales de divers éléments chimiques contenus dans les nuages et leur évolution dans le temps. Crédit :NASA, ESA, STScI, Léa Hustak (STScI).
Les naines brunes sont l'équivalent cosmique des préadolescents. Ils sont trop massifs pour être des planètes et trop petits pour soutenir la fusion nucléaire dans leurs noyaux, qui alimente les étoiles. De nombreuses naines brunes sont nomades. Ils ne tournent pas autour des étoiles mais dérivent parmi eux comme des solitaires.
Les astronomes aimeraient savoir comment ces objets capricieux sont assemblés. Partagent-ils une sorte de parenté avec des planètes géantes gazeuses gonflées comme Jupiter ? Étudier les naines brunes est beaucoup plus difficile que d'étudier Jupiter à proximité pour faire des comparaisons. Nous pouvons envoyer des vaisseaux spatiaux sur Jupiter. Mais les astronomes doivent regarder à travers de nombreuses années-lumière pour scruter l'atmosphère d'une naine brune.
Les chercheurs ont utilisé l'observatoire géant W. M. Keck à Hawaï pour observer une naine brune à proximité en lumière infrarouge. Contrairement à Jupiter, la jeune naine brune est encore si chaude qu'elle brille de l'intérieur vers l'extérieur, et ressemble à une citrouille d'Halloween sculptée. Parce que la naine brune a dispersé des nuages, la lumière qui jaillit du plus profond de l'atmosphère du nain fluctue, que les chercheurs ont mesuré. Ils ont découvert que l'atmosphère du nain a une structure en couches avec des nuages ayant une composition différente à différentes altitudes.
Jupiter est peut-être la planète brute de notre système solaire, car c'est la planète la plus massive. Mais c'est en fait un avorton comparé à la plupart des planètes géantes trouvées autour d'autres étoiles.
Ces mondes extraterrestres, appelés super-Jupiters, peser jusqu'à 13 fois la masse de Jupiter. Les astronomes ont analysé la composition de certains de ces monstres. Mais il a été difficile d'étudier leurs atmosphères en détail car ces géantes gazeuses se perdent dans l'éclat de leurs étoiles mères.
Des chercheurs, cependant, ont un substitut :les atmosphères des naines brunes, les étoiles dites ratées qui ont jusqu'à 80 fois la masse de Jupiter. Ces objets lourds se forment à partir d'un nuage de gaz qui s'effondre, comme le font les étoiles, mais n'ont pas la masse pour devenir assez chaude pour maintenir la fusion nucléaire dans leurs noyaux, qui alimente les étoiles.
Au lieu, les naines brunes partagent une parenté avec les super-Jupiters. Les deux types d'objets ont des températures similaires et sont extrêmement massifs. Ils ont aussi des complexes, ambiances variées. La seule différence, les astronomes pensent, est leur pedigree. Les super-Jupiters se forment autour des étoiles; les naines brunes se forment souvent de manière isolée.
Une équipe d'astronomes, dirigé par Elena Manjavacas du Space Telescope Science Institute à Baltimore, Maryland, a testé une nouvelle façon de scruter les couches nuageuses de ces objets nomades. Les chercheurs ont utilisé un instrument de l'observatoire W. M. Keck à Hawaï pour étudier dans le proche infrarouge les couleurs et les variations de luminosité de la structure nuageuse en couches dans le voisinage, naine brune flottante connue sous le nom de 2MASS J22081363+2921215.
L'instrument de l'Observatoire Keck, appelé spectrographe multi-objets pour l'exploration infrarouge (MOSFIRE), ont également analysé les empreintes spectrales de divers éléments chimiques contenus dans les nuages et leur évolution dans le temps. C'est la première fois que des astronomes utilisent l'instrument MOSFIRE dans ce type d'étude.
Ces mesures ont offert à Manjavacas une vue holistique des nuages atmosphériques de la naine brune, fournissant plus de détails que les observations précédentes de cet objet. Pionnier des observations de Hubble, cette technique est difficile à faire pour les télescopes au sol en raison de la contamination de l'atmosphère terrestre, qui absorbe certaines longueurs d'onde infrarouges. Ce taux d'absorption change en fonction des conditions météorologiques.
"La seule façon de le faire depuis le sol est d'utiliser l'instrument MOSFIRE haute résolution car il nous permet d'observer plusieurs étoiles simultanément avec notre naine brune, " a expliqué Manjavacas. " Cela nous permet de corriger la contamination introduite par l'atmosphère terrestre et de mesurer le vrai signal de la naine brune avec une bonne précision. Donc, ces observations sont une preuve de concept que MOSFIRE peut faire ce type d'études d'atmosphères naines brunes."
Manjavacas présentera ses résultats le 9 juin lors d'une conférence de presse lors de la réunion virtuelle de l'American Astronomical Society.
Le chercheur a décidé d'étudier cette naine brune en particulier car elle est très jeune et donc extrêmement brillante et ne s'est pas encore refroidie. Sa masse et sa température sont similaires à celles de l'exoplanète géante voisine Beta Pictoris b, découvert en 2008 des images dans le proche infrarouge prises par le très grand télescope de l'Observatoire européen austral dans le nord du Chili.
"Nous n'avons pas encore la capacité avec la technologie actuelle d'analyser en détail l'atmosphère de Beta Pictoris b, " dit Manjavacas. " Alors, nous utilisons notre étude de l'atmosphère de cette naine brune comme indicateur pour avoir une idée de ce à quoi pourraient ressembler les nuages de l'exoplanète à différentes hauteurs de son atmosphère."
Ce graphique montre des couches successives de nuages dans l'atmosphère d'un naine brune flottante. Des cassures dans les couches supérieures des nuages ont permis aux astronomes de sonder plus profondément dans l'atmosphère de la naine brune appelée 2MASS J22081363+2921215. Les naines brunes sont plus massives que les planètes mais trop petites pour soutenir la fusion nucléaire, qui alimente les étoiles. Cette illustration est basée sur des observations infrarouges des couleurs et des variations de luminosité des nuages, ainsi que les empreintes spectrales de divers éléments chimiques contenus dans les nuages et la modélisation atmosphérique. Crédit :NASA, ESA, STScI, Andi James (STScI)
La naine brune et Beta Pictoris b sont jeunes, ils émettent donc fortement de la chaleur dans le proche infrarouge. Ils sont tous deux membres d'un groupe d'étoiles et d'objets sous-stellaires appelé groupe mobile Beta Pictoris, qui partage la même origine et un mouvement commun à travers l'espace. Le groupe, qui a environ 33 millions d'années, est le regroupement de jeunes étoiles le plus proche de la Terre. Il est situé à environ 115 années-lumière.
Alors qu'elles sont plus cool que les étoiles de bonne foi, les naines brunes sont encore extrêmement chaudes. La naine brune dans l'étude de Manjavacas est un 2 grésillant, 780 degrés Fahrenheit (1, 527 degrés Celsius).
L'objet géant est environ 12 fois plus lourd que Jupiter. En tant que jeune corps, il tourne incroyablement vite, effectuer une rotation toutes les 3,5 heures, par rapport à la période de rotation de 10 heures de Jupiter. Donc, les nuages le fouettent, créer une dynamique, atmosphère turbulente.
L'instrument MOSFIRE de l'observatoire Keck a regardé la naine brune pendant 2,5 heures, regarder comment la lumière filtrant à travers l'atmosphère de l'intérieur chaud du nain s'éclaircit et s'atténue avec le temps. Les points lumineux qui apparaissent sur l'objet en rotation indiquent des régions où les chercheurs peuvent voir plus profondément dans l'atmosphère, où il fait plus chaud. Les longueurs d'onde infrarouges permettent aux astronomes de scruter plus profondément dans l'atmosphère. Les observations suggèrent que la naine brune a une atmosphère marbrée avec des nuages épars. Si vue en gros plan, cela pourrait ressembler à une citrouille d'Halloween sculptée, avec de la lumière s'échappant de son intérieur chaud.
Son spectre révèle des nuages de grains de sable chaud et d'autres éléments exotiques. L'iodure de potassium trace la haute atmosphère de l'objet, qui comprend également des nuages de silicate de magnésium. En descendant dans l'atmosphère se trouve une couche de nuages d'iodure de sodium et de silicate de magnésium. La couche finale est constituée de nuages d'oxyde d'aluminium. La profondeur totale de l'atmosphère est de 446 miles (718 kilomètres). Les éléments détectés représentent une partie typique de la composition des atmosphères naines brunes, dit Manjavacas.
La chercheuse et son équipe ont utilisé des modèles informatiques d'atmosphères de naines brunes pour déterminer l'emplacement des composés chimiques dans chaque couche nuageuse.
Le plan de Manjavacas est d'utiliser le MOSFIRE de l'observatoire de Keck pour étudier d'autres atmosphères de naines brunes et les comparer à celles des géantes gazeuses. Les futurs télescopes tels que le télescope spatial James Webb de la NASA, un observatoire infrarouge dont le lancement est prévu plus tard cette année, fournira encore plus d'informations sur l'atmosphère d'une naine brune. "JWST va nous donner la structure de toute l'atmosphère, offrant plus de couverture que tout autre télescope, ", a déclaré Manjavacas.
Le chercheur espère que MOSFIRE pourra être utilisé en tandem avec JWST pour échantillonner un large éventail de naines brunes. L'objectif est une meilleure compréhension des naines brunes et des planètes géantes.
