Astronomen haben mit dem James-Webb-Weltraumteleskop der NASA einen Braunen Zwerg (ein Objekt mit größerer Masse als Jupiter, aber kleiner als ein Stern) mit Infrarotemission von Methan gefunden, die wahrscheinlich auf die Energie in seiner oberen Atmosphäre zurückzuführen ist. Dies ist eine unerwartete Entdeckung, da der Braune Zwerg W1935 kalt ist und keinen Mutterstern hat. Daher gibt es keine offensichtliche Quelle für die Energie der oberen Atmosphäre. Das Team vermutet, dass die Methanemission auf Prozesse zurückzuführen sein könnte, die Polarlichter erzeugen.
Diese Ergebnisse werden auf der vorgestellt 243. Treffen der American Astronomical Society in New Orleans.
Um das Geheimnis der Infrarotemission von Methan zu erklären, wandte sich das Team unserem Sonnensystem zu. Methanemissionen sind bei Gasriesen wie Jupiter und Saturn häufig anzutreffen. Die Erwärmung der oberen Atmosphäre, die diese Emission antreibt, ist mit Polarlichtern verbunden.
Auf der Erde entstehen Polarlichter, wenn energiereiche Teilchen, die von der Sonne in den Weltraum geschleudert werden, vom Erdmagnetfeld eingefangen werden. Sie strömen entlang magnetischer Feldlinien in der Nähe der Erdpole in unsere Atmosphäre, kollidieren mit Gasmolekülen und erzeugen unheimliche, tanzende Lichtvorhänge. Jupiter und Saturn haben ähnliche Polarlichtprozesse, die eine Wechselwirkung mit dem Sonnenwind beinhalten, aber sie erhalten auch Polarlichtbeiträge von nahegelegenen aktiven Monden wie Io (für Jupiter) und Enceladus (für Saturn).
Für isolierte Braune Zwerge wie W1935 ist das Fehlen eines Sternwinds, der zum Polarlichtprozess beiträgt und die zusätzliche Energie in der oberen Atmosphäre erklärt, die für die Methanemission erforderlich ist, ein Rätsel. Das Team vermutet, dass entweder unerklärte interne Prozesse wie die atmosphärischen Phänomene von Jupiter und Saturn oder externe Wechselwirkungen mit interstellarem Plasma oder einem nahegelegenen aktiven Mond zur Erklärung der Emission beitragen könnten.
Eine Detektivgeschichte
Die Entdeckung der Polarlichter spielte sich wie eine Detektivgeschichte ab. Ein Team unter der Leitung von Jackie Faherty, einer Astronomin am American Museum of Natural History in New York, erhielt Zeit mit dem Webb-Teleskop, um 12 kalte Braune Zwerge zu untersuchen. Darunter waren W1935 – ein Objekt, das vom Bürgerwissenschaftler Dan Caselden entdeckt wurde, der mit dem Backyard Worlds Zooniverse-Projekt zusammenarbeitete – und W2220, ein Objekt, das mit dem Wide Field Infrarot Survey Explorer der NASA entdeckt wurde.
Webb enthüllte bis ins kleinste Detail, dass W1935 und W2220 in ihrer Zusammensetzung nahezu Klone voneinander zu sein schienen. Sie hatten auch ähnliche Helligkeit, Temperaturen und spektrale Eigenschaften von Wasser, Ammoniak, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Die auffällige Ausnahme war, dass W1935 eine Emission von Methan aufwies, im Gegensatz zu dem erwarteten Absorptionsmerkmal, das bei W2220 beobachtet wurde. Dies wurde bei einer bestimmten Infrarotwellenlänge beobachtet, für die Webb besonders empfindlich ist.
„Wir erwarteten, Methan zu sehen, weil sich überall Methan auf diesen Braunen Zwergen befindet. Aber anstatt Licht zu absorbieren, sahen wir genau das Gegenteil: Das Methan leuchtete. Mein erster Gedanke war: Was zum Teufel? Warum kommt Methan aus diesem Objekt?“ ?“ sagte Faherty.
Mithilfe von Computermodellen ermittelte das Team, was hinter der Emission stecken könnte. Die Modellierungsarbeiten zeigten, dass W2220 eine erwartete Energieverteilung in der Atmosphäre aufwies und mit zunehmender Höhe kühler wurde. W1935 hingegen hatte ein überraschendes Ergebnis. Das beste Modell favorisierte eine Temperaturinversion, bei der die Atmosphäre mit zunehmender Höhe wärmer wurde.
„Diese Temperaturinversion ist wirklich rätselhaft“, sagte Ben Burningham, Co-Autor von der University of Hertfordshire in England und leitender Modellierer der Arbeit. „Wir haben ein solches Phänomen bei Planeten mit einem nahen Stern gesehen, der die Stratosphäre erhitzen kann, aber es bei einem Objekt ohne offensichtliche externe Wärmequelle zu sehen, ist wild.“
Hinweise aus unserem Sonnensystem
Auf der Suche nach Hinweisen suchte das Team in unserem eigenen Hinterhof nach den Planeten unseres Sonnensystems. Die Gasriesenplaneten können als Stellvertreter für das dienen, was sich in der Atmosphäre von W1935 in mehr als 40 Lichtjahren Entfernung abspielt.
Das Team erkannte, dass Temperaturinversionen auf Planeten wie Jupiter und Saturn ausgeprägt sind. Es wird noch daran gearbeitet, die Ursachen ihrer Stratosphärenerwärmung zu verstehen, aber führende Theorien für das Sonnensystem gehen von einer externen Erwärmung durch Polarlichter und einem internen Energietransport aus tieferen Schichten der Atmosphäre aus (wobei Ersteres eine führende Erklärung ist).
Braune Zwerg-Aurora-Kandidaten im Kontext
Dies ist nicht das erste Mal, dass ein Polarlicht als Erklärung für die Beobachtung eines Braunen Zwergs herangezogen wird. Astronomen haben Radioemissionen von mehreren wärmeren Braunen Zwergen entdeckt und führen Polarlichter als wahrscheinlichste Erklärung an. Mit bodengestützten Teleskopen wie dem Keck-Observatorium wurden Suchen nach Infrarotsignaturen dieser radioemittierenden Braunen Zwerge durchgeführt, um das Phänomen weiter zu charakterisieren, blieben jedoch ergebnislos.
W1935 ist der erste Polarlichtkandidat außerhalb des Sonnensystems mit der Signatur einer Methanemission. Mit einer effektiven Temperatur von etwa 400 Grad Fahrenheit (200 Grad Celsius) ist er auch der kälteste Polarlichtkandidat außerhalb unseres Sonnensystems und damit etwa 600 Grad Fahrenheit wärmer als Jupiter.
In unserem Sonnensystem trägt der Sonnenwind in erster Linie zu Polarlichtprozessen bei, wobei aktive Monde wie Io und Enceladus für Planeten wie Jupiter bzw. Saturn eine Rolle spielen. W1935 fehlt völlig ein Begleitstern, sodass ein Sternwind nicht zu dem Phänomen beitragen kann. Ob ein aktiver Mond bei der Methanemission von W1935 eine Rolle spielen könnte, bleibt abzuwarten.
„Mit W1935 haben wir nun eine spektakuläre Erweiterung eines Sonnensystemphänomens ohne jegliche Sterneinstrahlung, die zur Erklärung beitragen könnte“, bemerkte Faherty. „Mit Webb können wir die Chemie wirklich aufdecken und herausfinden, wie ähnlich oder unterschiedlich der Polarlichtprozess jenseits unseres Sonnensystems sein könnte“, fügte sie hinzu.