Astronomia

Modelli di nuvole nane brune

Modelli di nuvole nane brune


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C'è stata una ricerca che suggerisce che il cambiamento di luminosità delle nane brune sia dovuto a bande di nubi di ferro/silicato. Sono stati realizzati diversi modelli che supportano tale ipotesi. La mia domanda è: quale parte del modello sono le nuvole reali? Le nuvole sono i pezzi arancione brillante? O sono quelle aree luminose che si "interrompono" tra le nuvole e una vista della nana bruna in basso.

GIF animata da 5 MB: modello di nuvola nana bruna


La ricerca iniziale si è rivelata sbagliata in quanto l'intuizione non corrisponde alle aspettative.

Ad ogni modo, il documento a cui fa riferimento l'OP sembra riassumere abbastanza bene la risposta alla domanda:

In questa spiegazione, le aree scure della nostra mappa rappresentano nuvole più spesse che oscurano parti più profonde e più calde dell'atmosfera e presentano una superficie emissiva ad alta quota (e quindi più fredda), mentre le regioni luminose corrispondono a buchi negli strati superiori delle nuvole che forniscono un vista dell'interno più caldo e profondo.

Estratto da una mappa globale delle nuvole della nana bruna conosciuta più vicina

Inizialmente pensavo che le nuvole metalliche riflettessero la radiazione della stella vicina, tuttavia, a quanto pare, l'atmosfera calda emette radiazioni infrarosse che influenzano la luminosità in modo molto più significativo.

Maggiori informazioni sulle nane brune qui.


Prove di nuvole d'acqua trovate nello spettro della nana bruna più fredda

Il rendering di un artista di WISE 0855 come potrebbe apparire se visto da vicino alla luce infrarossa. Credito illustrativo: Joy Pollard, Osservatorio Gemini/AURA. Dalla sua individuazione nel 2014, la nana bruna nota come WISE 0855 (denominazione completa WISE J085510.83-071442.5) nella costellazione dell'Idra ha affascinato gli astronomi. A soli 7,2 anni luce dalla Terra, è l'oggetto più freddo conosciuto al di fuori del nostro sistema solare ed è appena visibile alle lunghezze d'onda infrarosse con i più grandi telescopi terrestri.

Ora, un team guidato da astronomi dell'UC Santa Cruz è riuscito a ottenere uno spettro infrarosso di WISE 0855 utilizzando il Gemini North Telescope alle Hawaii, fornendo i primi dettagli della composizione e della chimica dell'oggetto. Tra i risultati c'è una forte evidenza dell'esistenza di nuvole d'acqua o ghiaccio d'acqua, le prime nuvole di questo tipo rilevate al di fuori del nostro sistema solare.

"Ci aspetteremmo che un oggetto così freddo abbia nuvole d'acqua, e questa è la migliore prova che lo faccia", ha affermato Andrew Skemer, assistente professore di astronomia e astrofisica presso la UC Santa Cruz. Skemer è il primo autore di un articolo sulle nuove scoperte che sarà pubblicato su Astrophysical Journal Letters e attualmente disponibile online.

Stella fallita
Una nana bruna è essenzialmente una stella fallita, essendosi formata come le stelle attraverso il collasso gravitazionale di una nube di gas e polvere, ma senza acquisire massa sufficiente per innescare le reazioni di fusione nucleare che fanno brillare le stelle. Con circa cinque volte la massa di Giove, WISE 0855 assomiglia a quel pianeta gigante gassoso sotto molti aspetti. La sua temperatura è di circa 250 K, o circa -23 °C (-10 °F), il che la rende fredda quasi quanto Giove, che è 130 K. Questo diagramma illustra le posizioni dei sistemi stellari più vicini al Sole. L'anno in cui è stata determinata la distanza da ciascun sistema è elencato dopo il nome del sistema. Il Wide-field Infrared Survey Explorer della NASA, o WISE, ha trovato due dei quattro sistemi più vicini: la nana bruna binaria WISE 1049-5319 e la nana bruna WISE 0855-0714. Il telescopio spaziale Spitzer della NASA ha aiutato a individuare la posizione di quest'ultimo oggetto. Il sistema più vicino al Sole è un trio di stelle che consiste in Alpha Centauri, un suo stretto compagno, e Proxima Centauri. Credito illustrativo: NASA/Penn State University. “WISE 0855 è la nostra prima opportunità di studiare un oggetto di massa planetaria extrasolare freddo quasi quanto i nostri giganti gassosi,” Skemer.

Precedenti osservazioni della nana bruna, pubblicate nel 2014, hanno fornito indicazioni provvisorie di nuvole d'acqua basate su dati fotometrici molto limitati. Skemer, un coautore del documento precedente, ha affermato che ottenere uno spettro (che separa la luce da un oggetto nelle sue lunghezze d'onda componenti) è l'unico modo per rilevare la composizione molecolare di un oggetto.

WISE 0855 è troppo debole per la spettroscopia convenzionale a lunghezze d'onda ottiche o del vicino infrarosso, ma l'emissione termica dall'atmosfera profonda a lunghezze d'onda in una finestra stretta intorno a 5 micron ha offerto un'opportunità in cui la spettroscopia sarebbe stata "difficile ma non impossibile", ha disse.

Il team ha utilizzato il Gemini-North Telescope alle Hawaii e il Gemini Near Infrared Spectrograph per osservare WISE 0855 per 13 notti per un totale di circa 14 ore.

"È cinque volte più debole di qualsiasi altro oggetto rilevato con la spettroscopia terrestre a questa lunghezza d'onda", ha detto Skemer. “Ora che abbiamo uno spettro, possiamo davvero iniziare a pensare a cosa sta succedendo in questo oggetto. Il nostro spettro mostra che WISE 0855 è dominato da vapore acqueo e nuvole, con un aspetto generale sorprendentemente simile a Giove.”

Atmosfera nuvolosa
I ricercatori hanno sviluppato modelli atmosferici della chimica dell'equilibrio per una nana bruna a 250 Kelvin e hanno calcolato gli spettri risultanti in base a diverse ipotesi, inclusi modelli nuvolosi e privi di nubi. I modelli prevedevano uno spettro dominato da caratteristiche risultanti dal vapore acqueo e il modello nuvoloso ha prodotto la migliore corrispondenza con le caratteristiche nello spettro di WISE 0855.

Confrontando la nana bruna con Giove, il team ha scoperto che i loro spettri sono sorprendentemente simili per quanto riguarda le caratteristiche di assorbimento dell'acqua. Una differenza significativa è l'abbondanza di fosfina nell'atmosfera di Giove. La fosfina si forma nell'interno caldo del pianeta e reagisce per formare altri composti nell'atmosfera esterna più fredda, quindi la sua comparsa nello spettro è la prova di un mescolamento turbolento nell'atmosfera di Giove. L'assenza di un forte segnale di fosfina nello spettro di WISE 0855 implica che ha un'atmosfera meno turbolenta.

"Lo spettro ci permette di studiare le proprietà dinamiche e chimiche che sono state a lungo studiate nell'atmosfera di Giove, ma questa volta su un mondo extrasolare", ha detto Skemer.


Bande di nuvole volteggiano sulla superficie della nana bruna

Gli astronomi hanno rilevato quelle che sembrano essere bande di nuvole che attraversano la superficie di un corpo freddo simile a una stella noto come nana bruna. Le bande, simili a quelle che rigano la superficie di Giove, sono state scoperte utilizzando la polarimetria, una tecnica che funziona nello stesso modo in cui gli occhiali da sole polarizzati bloccano il bagliore della luce solare.

"Penso spesso agli strumenti polarimetrici come agli occhiali da sole polarizzati di un astronomo", afferma Maxwell Millar-Blanchaer, un Robert A. Millikan Postdoctoral Scholar in Astronomy al Caltech. “Ma invece di cercare di bloccare quel bagliore, stiamo cercando di misurarlo.” Millar-Blanchaer è l'autore principale di un nuovo studio sui risultati, accettato per la pubblicazione in Il Giornale Astrofisico. Le osservazioni sono state effettuate utilizzando il Very Large Telescope (VLT) dell'European Southern Observatory in Cile.

Sebbene siano già state osservate prove di bande di nubi sulle nane brune, questa scoperta rappresenta la prima volta che queste caratteristiche sono state dedotte utilizzando la tecnica della polarimetria.

"La polarimetria sta ricevendo una rinnovata attenzione in astronomia", afferma Dimitri Mawet, professore di astronomia al Caltech e ricercatore senior presso il Jet Propulsion Laboratory, che è gestito dal Caltech per la NASA. “La polarimetria è un'arte molto difficile, ma nuove tecniche e metodi di analisi dei dati la rendono più precisa e sensibile che mai, consentendo studi pionieristici su tutto, dai buchi neri supermassicci distanti, alle stelle appena nate e morenti, alle nane brune e agli esopianeti, tutti i fino agli oggetti nel nostro sistema solare

La nana bruna nel nuovo studio, chiamata Luhman 16A, fa parte di una coppia che insieme rappresenta il sistema binario di nane brune più vicino al nostro sistema solare, che si trova a una distanza di 6,5 anni luce di distanza. Scoperto dal Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) della NASA nel 2013, ogni globo pesa circa 30 volte la massa di Giove. Le nane brune si formano dal collasso di nubi di gas in modo simile alle stelle, ma mancano di massa sufficiente per accendersi e brillare di luce stellare.

Precedenti osservazioni con lo Spitzer Space Telescope della NASA hanno scoperto che altre tre nane brune avevano segni di bande di nuvole, e studi precedenti della nana bruna partner di Luhman 16A, chiamata Luhman 16B, hanno dedotto la presenza di grandi chiazze di nuvole. Ma tutte queste misurazioni precedenti hanno esaminato come la luminosità degli oggetti variava nel tempo e non misuravano la luce polarizzata. Nel nuovo studio, lo strumento NaCo del VLT’s è stato utilizzato per studiare la luce polarizzata di entrambe le nane brune di Luhman.

"La polarimetria è l'unica tecnica attualmente in grado di rilevare bande che non fluttuano in luminosità nel tempo", afferma Millar-Blanchaer. “Questa è stata la chiave per trovare le bande di nuvole su Luhman 16A, sulle quali le bande non sembrano variare.”

I ricercatori spiegano che, sebbene non possano visualizzare la nana bruna stessa, la loro misurazione della quantità di luce polarizzata proveniente da essa consente loro di dedurre la presenza di bande di nuvole attraverso una sofisticata modellazione atmosferica. Le loro osservazioni non consentono loro di specificare esattamente quante bande di nubi stanno ruotando attorno a Luhman 16A, ma secondo i loro modelli, la risposta potrebbe essere due.

I loro modelli mostrano anche che le chiazze di nuvole avrebbero un tempo tempestoso simile a quello su Giove.

“Pensiamo che queste tempeste possano far piovere cose come silicati o ammoniaca. È un tempo piuttosto terribile, in realtà, dice il coautore Julien Girard dello Space Telescope Science Institute.

In futuro, il team spera di estendere questo lavoro alle misurazioni di pianeti attorno ad altre stelle, chiamati esopianeti.

"La polarimetria è molto sensibile alle proprietà delle nuvole, sia nelle nane brune che negli esopianeti", afferma Millar-Blanchaer. “Questa è la prima volta che viene davvero sfruttata per comprendere le proprietà delle nuvole al di fuori del sistema solare.”

Con i telescopi terrestri e spaziali di nuova generazione, questo stesso metodo può essere utilizzato anche per studiare quegli esopianeti potenzialmente in grado di ospitare la vita. La polarimetria è molto sensibile non solo alle proprietà atmosferiche, afferma Millar-Blanchaer, ma anche al tipo di superficie di un pianeta, quindi potrebbe essere utilizzata un giorno per rilevare l'acqua superficiale liquida, segno di abitabilità.

Lo studio, intitolato "Rilevazione della polarizzazione dovuta alle bande di nubi nella vicina nana binaria Luhman 16", è stato finanziato dalla National Science Foundation, dalla NASA e dal Consiglio europeo della ricerca.


Domande e risposte

Cosa c'è di nuovo/importante in questi risultati?
I risultati qui descritti forniscono la prima mappa della superficie di una nana bruna e il primo monitoraggio della variabilità della luminosità delle nane brune in più di due intervalli di lunghezze d'onda (bande di filtro) contemporaneamente, fornendo informazioni sui diversi strati atmosferici.

I risultati mostrano caratteristiche delle nuvole distinguibili e anche che questa nana bruna deve avere più strati di nuvole irregolari e/o variazioni di temperatura per produrre la variabilità osservata. Questo è il primo rilevamento di questo tipo di modelli meteorologici complessi e in evoluzione su una nana bruna che coinvolge una mappa di superficie, e anche il primo che prevede il monitoraggio a una tale varietà di lunghezze d'onda.

I teorici sono ora chiamati a fornire modelli migliori e più dettagliati per la struttura atmosferica delle nane brune – che, di concerto con nuovi dati osservativi simili a quello qui descritto, dovrebbero portare a una comprensione molto più dettagliata di questi oggetti borderline.

I risultati sono interessanti anche in un contesto più generale. I teorici hanno già proposto vari modi in cui i modelli meteorologici e le caratteristiche della superficie potrebbero essere descritti su pianeti piccoli, freddi e simili alla Terra, ma gli osservatori necessari per questo si trovano ancora molti decenni nel futuro. La mappa delle nane brune che è stata ora pubblicata e le misurazioni di Biller et al. che forniscono alcune informazioni approfondite, insieme a mappe recenti di pianeti extrasolari a bassa risoluzione, rappresentano un progresso significativo verso l'obiettivo di comprendere i modelli meteorologici in altri sistemi solari.

Il prossimo passo potrebbe coinvolgere lo strumento SPHERE, uno strumento programmato per iniziare le operazioni al Very Large Telescope dell'ESO presso l'Osservatorio del Paranal all'inizio del 2014. SPHERE, che è stato sviluppato da un consorzio guidato da Jean-Luc Beuzit (PI) del Laboratoire d&aposAstrophysique de l&aposObservatoire de Grenoble (Francia) e Markus Feldt (Co-PI) del Max Planck Institute for Astronomy di Heidelberg, dovrebbero essere in grado di eseguire misurazioni simili per esopianeti giganti.

Quali strumenti sono stati utilizzati in questa ricerca?
La mappa della nana bruna è stata ricostruita dai dati spettroscopici ottenuti con CRIRES, uno spettrografo installato su uno dei Very Large Telescopes (VLT) di 8 metri presso l'osservatorio dell'ESO al Paranal in Cile nel maggio 2013.

Le misurazioni della luminosità di Biller et al. ha utilizzato la camera astronomica GROND al telescopio da 2,2 m presso l'osservatorio ESO di La Silla in Cile nell'aprile 2013. GROND è stato costruito dal gruppo ad alta energia dell'Istituto Max Planck per la fisica extraterrestre a Garching in collaborazione con l'Osservatorio statale di Tautenburg e l'ESO, e può acquisire immagini contemporaneamente in sette diverse regioni di lunghezza d'onda (bande di filtro).

La scoperta originale della binaria delle nane brune è stata fatta dalla Kevin Luhman Pennsylvania State University a metà marzo 2013, utilizzando i dati dell'osservatorio a infrarossi della NASA WISE. I loro numeri di catalogo sono WISE J104915.57-531906.1 A e B, con A e B il modo convenzionale di indicare i componenti della stella doppia (o della nana bruna). Questo è il sistema stellare più vicino trovato in quasi un secolo. È solo leggermente più distante della seconda stella più vicina, la stella di Barnard's scoperta nel 1916. Poiché Luhman aveva scoperto in precedenza altri 15 sistemi binari, il nuovo sistema è stato anche chiamato Luhman 16, una convenzione adottata in questo testo.

In che modo i ricercatori sono riusciti a ricostruire una mappa della superficie e come hanno scoperto la struttura a strati?
Con la tecnologia attuale, non è possibile produrre mappe di superficie di questa nana bruna (o di altre stelle e nane brune lontane) nello stesso modo in cui, ad esempio, mapperemmo le fasce nuvolose di Giove, ovvero scattando direttamente immagini che mostrino tutte i dettagli.

La tecnica indiretta utilizzata invece si chiama imaging Doppler. Si avvale del fatto che la luce di una stella rotante viene leggermente spostata in frequenza mentre la stella ruota. Dagli spostamenti sistematici si può ricostruire una mappa approssimativa della superficie stellare.

Per un'immagine approssimativa di come ciò accade, immagina di essere sospeso in alto sopra l'equatore terrestre, guardando il globo che ruota sotto di te. Quando un oggetto seduto sull'equatore viene in vista, si muoverà prima verso di te mentre attraversa l'orizzonte e viene in vista mentre passa direttamente sotto di te, la sua distanza da te cambierà molto lentamente e mentre passa attraverso il tuo orizzonte fuori da vista, si allontanerà da te a velocità. Un oggetto posizionato a latitudini più elevate (cioè spostato verso uno dei poli) seguirà uno schema simile, ma a velocità complessivamente inferiori. Un oggetto situato in uno dei poli non si muoverà verso di te o lontano da te mentre la Terra ruota.

Ora immagina la stessa situazione per una nana bruna. Quando un punto luminoso ruota in vista, il modo in cui si muove direttamente verso o lontano da te dipenderà dalla latitudine, mentre il momento in cui ruota dentro e fuori dalla vista definisce la sua longitudine. E mentre gli astronomi non possono seguire direttamente i viaggi del punto, c'è il cosiddetto spostamento Doppler: la luce cambierà leggermente la sua lunghezza d'onda a seconda che, e quanto velocemente, l'oggetto che emette si muova verso o lontano dall'osservatore. Combinando i modelli di spostamento Doppler che suggeriscono la latitudine con i tempi che trasportano informazioni sulla longitudine, gli astronomi possono tentare di ricostruire il modello di superficie delle nane brune. La ricostruzione comporta alcune ambiguità e incertezze, ma il risultato mostrato qui è la struttura superficiale più probabilmente dedotta dalle numerose misurazioni Doppler effettuate da Crossfield et al.

Le misurazioni della variabilità di Biller et al. sono state effettuate simultaneamente in sette regimi di lunghezza d'onda (bande di filtro). L'emissione a queste diverse lunghezze d'onda è direttamente correlata con la temperatura del gas che emette, e molto probabilmente le diverse lunghezze d'onda rappresentano strati a diverse profondità dell'atmosfera delle nane brune. Le osservazioni consentono così ai ricercatori di sondare diverse profondità dell'atmosfera, rivelando uno schema complesso.


Bande di nuvole volteggiano sulla superficie della nana bruna

Gli astronomi hanno rilevato quelle che sembrano essere bande di nuvole che attraversano la superficie di un corpo freddo simile a una stella noto come nana bruna. Le bande, simili a quelle che rigano la superficie di Giove, sono state scoperte utilizzando la polarimetria, una tecnica che funziona nello stesso modo in cui gli occhiali da sole polarizzati bloccano il bagliore della luce solare.

"Penso spesso agli strumenti polarimetrici come agli occhiali da sole polarizzati di un astronomo", afferma Maxwell Millar-Blanchaer, un Robert A. Millikan Postdoctoral Scholar in Astronomy al Caltech. "Ma invece di cercare di bloccare quel bagliore, stiamo cercando di misurarlo." Millar-Blanchaer è l'autore principale di un nuovo studio sui risultati, accettato per la pubblicazione in Il Giornale Astrofisico. Le osservazioni sono state effettuate utilizzando il Very Large Telescope (VLT) dell'European Southern Observatory in Cile.

Sebbene siano già state osservate prove di bande di nubi sulle nane brune, questa scoperta rappresenta la prima volta che queste caratteristiche sono state dedotte utilizzando la tecnica della polarimetria.

"La polarimetria sta ricevendo una rinnovata attenzione in astronomia", afferma Dimitri Mawet, professore di astronomia al Caltech e ricercatore senior presso il Jet Propulsion Laboratory, che è gestito dal Caltech per la NASA. "La polarimetria è un'arte molto difficile, ma nuove tecniche e metodi di analisi dei dati la rendono più precisa e sensibile che mai, consentendo studi pionieristici su qualsiasi cosa, dai buchi neri supermassicci distanti, alle stelle appena nate e morenti, alle nane brune e agli esopianeti, fino in fondo. agli oggetti nel nostro sistema solare."

La nana bruna nel nuovo studio, chiamata Luhman 16A, fa parte di una coppia che insieme rappresenta il sistema binario di nane brune più vicino al nostro sistema solare, che si trova a una distanza di 6,5 anni luce di distanza. Scoperto dal Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) della NASA nel 2013, ogni globo pesa circa 30 volte la massa di Giove. Le nane brune si formano dal collasso di nubi di gas in modo simile alle stelle, ma mancano di massa sufficiente per accendersi e brillare di luce stellare.

Precedenti osservazioni con lo Spitzer Space Telescope della NASA hanno scoperto che altre tre nane brune avevano segni di bande di nuvole, e studi precedenti sulla nana bruna partner di Luhman 16A, chiamata Luhman 16B, hanno dedotto la presenza di grandi chiazze di nubi. Ma tutte queste misurazioni precedenti hanno esaminato come la luminosità degli oggetti variava nel tempo e non misuravano la luce polarizzata. Nel nuovo studio, lo strumento NaCo del VLT è stato utilizzato per studiare la luce polarizzata di entrambe le nane brune di Luhman.

"La polarimetria è l'unica tecnica attualmente in grado di rilevare bande che non fluttuano in luminosità nel tempo", afferma Millar-Blanchaer. "Questa è stata la chiave per trovare le bande di nuvole su Luhman 16A, sulle quali le bande non sembrano variare."

I ricercatori spiegano che, sebbene non possano visualizzare la nana bruna stessa, la loro misurazione della quantità di luce polarizzata proveniente da essa consente loro di dedurre la presenza di bande di nuvole attraverso una sofisticata modellazione atmosferica. Le loro osservazioni non consentono loro di specificare esattamente quante bande di nubi stanno ruotando attorno a Luhman 16A, ma secondo i loro modelli, la risposta potrebbe essere due.

I loro modelli mostrano anche che le chiazze di nuvole avrebbero un tempo tempestoso simile a quello su Giove.

"Pensiamo che queste tempeste possano far piovere cose come silicati o ammoniaca. È un tempo piuttosto terribile, in realtà", afferma il coautore Julien Girard dello Space Telescope Science Institute.

In futuro, il team spera di estendere questo lavoro alle misurazioni di pianeti attorno ad altre stelle, chiamati esopianeti.

"La polarimetria è molto sensibile alle proprietà delle nuvole, sia nelle nane brune che negli esopianeti", afferma Millar-Blanchaer. "Questa è la prima volta che viene davvero sfruttata per comprendere le proprietà delle nuvole al di fuori del sistema solare."

Con i telescopi terrestri e spaziali di nuova generazione, questo stesso metodo può essere utilizzato anche per studiare quegli esopianeti con il potenziale per ospitare la vita. La polarimetria è molto sensibile non solo alle proprietà atmosferiche, afferma Millar-Blanchaer, ma anche al tipo di superficie di un pianeta, quindi potrebbe essere utilizzata un giorno per rilevare l'acqua superficiale liquida, segno di abitabilità.

Lo studio, intitolato "Rilevazione della polarizzazione dovuta alle bande di nuvole nella vicina nana binaria Luhman 16", è stato finanziato dalla National Science Foundation, dalla NASA e dal Consiglio europeo della ricerca.


I telescopi Maunakea confermano la scoperta della prima nana bruna dalle osservazioni radio

Una collaborazione tra il radiotelescopio LOw Frequency ARray (LOFAR) in Europa, il telescopio Gemini North e il NASA InfraRed Telescope Facility (IRTF), entrambi su Maunakea alle Hawaii, ha portato alla prima scoperta diretta di una nana bruna fredda dalla sua emissione di lunghezze d'onda radio. Oltre a spianare la strada a future scoperte sulle nane brune, questo risultato è un passo importante verso l'applicazione della radioastronomia all'eccitante campo degli esopianeti.

Per la prima volta, gli astronomi hanno utilizzato le osservazioni del radiotelescopio LOFAR, l'IRTF della NASA, gestito dall'Università delle Hawaii, e l'Osservatorio internazionale Gemini, un programma del NOIRLab della NSF, per scoprire e caratterizzare una nana bruna fredda. L'oggetto, designato BDR J1750+3809, è il primo oggetto substellare ad essere scoperto tramite osservazioni radio: fino ad ora, le nane brune sono state scoperte in ampi sondaggi a infrarossi e ottici. La scoperta diretta di questi oggetti con radiotelescopi sensibili come LOFAR è una svolta significativa perché dimostra che gli astronomi possono rilevare oggetti troppo freddi e deboli per essere trovati nelle rilevazioni a infrarossi esistenti, forse anche grandi esopianeti fluttuanti.

In questa scoperta, Gemini è stato particolarmente importante perché ha identificato l'oggetto come una nana bruna e ci ha anche dato un'indicazione della temperatura dell'oggetto,” ha spiegato l'autore principale Harish Vedantham di ASTRON, l'Istituto olandese di radioastronomia. “Le osservazioni Gemini ci hanno detto che l'oggetto era abbastanza freddo da consentire la formazione di metano nella sua atmosfera, mostrandoci che l'oggetto è un cugino stretto dei pianeti del sistema solare come Giove.

Le nane brune sono oggetti substellari a cavallo del confine tra i pianeti più grandi e le stelle più piccole [1]. Occasionalmente soprannominate stelle fallite, le nane brune non hanno la massa per innescare la fusione dell'idrogeno nei loro nuclei, invece emettono luce a lunghezze d'onda infrarosse con il calore residuo della loro formazione. Sebbene non abbiano le reazioni di fusione che mantengono il nostro Sole splendente, le nane brune possono emettere luce a lunghezze d'onda radio. Il processo sottostante che alimenta questa emissione radio è familiare, poiché si verifica nel più grande pianeta del Sistema Solare. Il potente campo magnetico di Giove accelera le particelle cariche come gli elettroni, che a loro volta producono radiazioni, in questo caso onde radio [2] e aurore.

Il fatto che le nane brune siano emettitori radio ha permesso alla collaborazione internazionale di astronomi dietro questo risultato di sviluppare una nuova strategia di osservazione. Le emissioni radio sono state precedentemente rilevate solo da una manciata di nane brune fredde e sono state conosciute e catalogate da indagini a infrarossi prima di essere osservate con i radiotelescopi. Il team ha deciso di capovolgere questa strategia, utilizzando un radiotelescopio sensibile per scoprire sorgenti fredde e deboli e quindi eseguire osservazioni a infrarossi di follow-up con un grande telescopio come il telescopio Gemini North di 8 metri per classificarle.

Ci siamo chiesti: "Perché puntare il nostro radiotelescopio verso le nane brune catalogate?",disse Vedantham. “Facciamo solo una grande immagine del cielo e scopriamo questi oggetti direttamente nella radio.

Avendo trovato una varietà di segnali radio rivelatori nelle loro osservazioni, il team ha dovuto distinguere le fonti potenzialmente interessanti dalle galassie di fondo. Per fare ciò, hanno cercato una forma speciale di luce che fosse polarizzata circolarmente [3], una caratteristica della luce proveniente da stelle, pianeti e nane brune, ma non dalle galassie di fondo. Dopo aver trovato una sorgente radio polarizzata circolarmente, il team si è quindi rivolto a telescopi tra cui Gemini North e la NASA IRTF per fornire le misurazioni necessarie per identificare la loro scoperta.

Gemini North è dotato di una varietà di strumenti a infrarossi, uno dei quali viene solitamente tenuto pronto per l'osservazione quando si presenta un'interessante opportunità astronomica. Nel caso del BDR J1750+3809, l'imager a infrarossi principale di Gemini, il Near InfraRed Imager e lo spettrografo (NIRI), non era disponibile, quindi gli astronomi Gemini hanno deciso di utilizzare la telecamera di acquisizione per il Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS) anziché. Grazie al lavoro attento e alla lungimiranza dello staff Gemini, questa fotocamera ha fornito immagini profonde, nitide e accurate a diverse lunghezze d'onda dell'infrarosso.

Queste osservazioni evidenziano davvero la versatilità di Gemini, e in particolare la capacità di imaging del "buco della serratura" poco utilizzata dello spettrografo GNIRS di Gemini,” ha commentato l'astronomo dell'Osservatorio Gemini e dell'Università di Edimburgo Trent Dupuy, coautore del documento di ricerca. Le osservazioni di Gemini North sono state ottenute tramite il Director's Discretionary Time, che è riservato a programmi che richiedono piccole quantità di tempo di osservazione con risultati potenzialmente di grande impatto.

Questa osservazione mette in mostra sia la flessibilità che la potenza degli Osservatori Gemelli", ha affermato Martin Still della National Science Foundation (NSF). “Questa è stata un'opportunità in cui il design e le operazioni di Gemini hanno permesso a un'idea innovativa di trasformarsi in una scoperta significativa.

Oltre ad essere un risultato entusiasmante di per sé, la scoperta di BDR J1750+3809 potrebbe fornire uno sguardo allettante in un futuro in cui gli astronomi potranno misurare le proprietà dei campi magnetici degli esopianeti. Le nane brune fredde sono le cose più vicine agli esopianeti che gli astronomi possono attualmente rilevare con i radiotelescopi e questa scoperta potrebbe essere utilizzata per testare teorie che prevedono l'intensità del campo magnetico degli esopianeti. I campi magnetici sono un fattore importante nel determinare le proprietà atmosferiche e l'evoluzione a lungo termine degli esopianeti.

Il nostro obiettivo finale è comprendere il magnetismo negli esopianeti e come influisce sulla loro capacità di ospitare la vita,” ha concluso Vedantham. “Poiché i fenomeni magnetici delle nane brune fredde sono così simili a ciò che si vede nei pianeti del Sistema Solare, ci aspettiamo che il nostro lavoro fornisca dati vitali per testare modelli teorici che prevedono i campi magnetici degli esopianeti.

Appunti

[1] La prima osservazione univoca di una nana bruna non è avvenuta fino al 1995, dopo più di 30 anni di previsioni teoriche. Il nome di questi oggetti è stato coniato dall'astronomo americano Jill Tarter in riferimento al loro colore atteso.

[2] La radiazione emessa dall'accelerazione di particelle cariche in un campo magnetico è detta radiazione di ciclotrone. Il nome deriva dal ciclotrone, un primo tipo di acceleratore di particelle.

[3] La luce polarizzata circolarmente viene utilizzata anche per creare filmati 3D.

Maggiori informazioni

Questa ricerca è stata presentata nel paper Scoperta radio diretta di una nana bruna fredda apparire in Le Lettere del Giornale Astrofisico.

Il team è composto da HK Vedantham (ASTRON e Università di Groningen), JR Callingham (Osservatorio di Leiden e ASTRON), TW Shimwell (ASTRON e Osservatorio di Leiden), T. Dupuy (Università di Edimburgo e Osservatorio Gemini/NOIRLab di NSF), William MJ Best (University of Texas e Visiting Astronomer presso la NASA IRTF, Michael C. Liu (University of Hawai'i e Visiting Astronomer presso la NASA IRTF), Zhoujian Zhang (University of Hawai'i), K. De (California Institute of Technology ), L. Lamy (LESIA, Osservatorio di Parigi), P. Zarka (LESIA, Osservatorio di Parigi), HJA Röttgering (Osservatorio di Leiden) e A. Shulevski (Osservatorio di Leiden).

Il NOIRLab di NSF (National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory), il centro statunitense per l'astronomia dell'infrarosso ottico da terra, gestisce l'Osservatorio internazionale Gemini (una struttura di NSF, NRC–Canada, ANID–Cile, MCTIC–Brasile, MINCyT–Argentina , e KASI–Repubblica di Corea), Kitt Peak National Observatory (KPNO), Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO), Community Science and Data Center (CSDC) e Vera C. Rubin Observatory (in collaborazione con il DOE's SLAC National Laboratorio Acceleratore). È gestito dall'Associazione delle università per la ricerca in astronomia (AURA) nell'ambito di un accordo di cooperazione con NSF e ha sede a Tucson, in Arizona. La comunità astronomica è onorata di avere l'opportunità di condurre ricerche astronomiche su Iolkam Du'ag (Kitt Peak) in Arizona, su Maunakea nelle Hawaii e su Cerro Tololo e Cerro Pachón in Cile. Riconosciamo e riconosciamo il ruolo culturale molto significativo e il rispetto che questi siti hanno nei confronti della Nazione Tohono O'odham, della comunità nativa hawaiana e delle comunità locali in Cile, rispettivamente.


Un team di astronomi ha scoperto che la nana bruna conosciuta più vicina, Luhman 16A, mostra segni di bande di nuvole simili a quelle viste su Giove e Saturno. Questa è la prima volta che gli scienziati hanno utilizzato la tecnica della polarimetria per determinare le proprietà delle nubi atmosferiche al di fuori del sistema solare, o esonubi.

Le nane brune sono oggetti più pesanti dei pianeti ma più leggeri delle stelle e in genere hanno da 13 a 80 volte la massa di Giove. Luhman 16A fa parte di un sistema binario contenente una seconda nana bruna, Luhman 16B. A una distanza di 6,5 anni luce, è il terzo sistema più vicino al nostro Sole dopo Alpha Centauri e la Stella di Barnard. Entrambe le nane brune pesano circa 30 volte di più di Giove.

Nonostante il fatto che Luhman 16A e 16B abbiano masse e temperature simili (circa 1.900° F o 1.000° C) e presumibilmente si siano formati allo stesso tempo, mostrano un clima notevolmente diverso. Luhman 16B shows no sign of stationary cloud bands, instead exhibiting evidence of more irregular, patchy clouds. Luhman 16B therefore has noticeable brightness variations as a result of its cloudy features, unlike Luhman 16A.

“Like Earth and Venus, these objects are twins with very different weather,” said Julien Girard of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, a member of the discovery team. “It can rain things like silicates or ammonia. It’s pretty awful weather, actually.”

The researchers used an instrument on the Very Large Telescope in Chile to study polarized light from the Luhman 16 system. Polarization is a property of light that represents the direction that the light wave oscillates. Polarized sunglasses block out one direction of polarization to reduce glare and improve contrast.

“Instead of trying to block out that glare, we’re trying to measure it,” explained lead author Max Millar-Blanchaer of the California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena, California.

When light is reflected off of particles, such as cloud droplets, it can favor a certain angle of polarization. By measuring the preferred polarization of light from a distant system, astronomers can deduce the presence of clouds without directly resolving either brown dwarf’s cloud structure.

“Even from light-years away, we can use polarization to determine what the light encountered along its path,” added Girard.

“To determine what the light encountered on its way we compared observations against models with different properties: brown dwarf atmospheres with solid cloud decks, striped cloud bands, and even brown dwarfs that are oblate due to their fast rotation. We found that only models of atmospheres with cloud bands could match our observations of Luhman 16A,” explained Theodora Karalidi of the University of Central Florida in Orlando, Florida, a member of the discovery team.

The polarimetry technique isn’t limited to brown dwarfs. It can also be applied to exoplanets orbiting distant stars. The atmospheres of hot, gas giant exoplanets are similar to those of brown dwarfs. Although measuring a polarization signal from exoplanets will be more challenging, due to their relative faintness and proximity to their star, the information gained from brown dwarfs can potentially inform those future studies.

NASA’s upcoming James Webb Space Telescope would be able to study systems like Luhman 16 to look for signs of brightness variations in infrared light that are indicative of cloud features. NASA’s Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST) will be equipped with a coronagraph instrument that can conduct polarimetry, and may be able to detect giant exoplanets in reflected light and eventual signs of clouds in their atmospheres.

This study has been accepted for publication in The Astrophysical Journal.

The Space Telescope Science Institute is expanding the frontiers of space astronomy by hosting the science operations center of the Hubble Space Telescope, the science and operations center for the James Webb Space Telescope, and the science operations center for the future Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST). STScI also houses the Mikulski Archive for Space Telescopes (MAST) which is a NASA-funded project to support and provide to the astronomical community a variety of astronomical data archives, and is the data repository for the Hubble, Webb, Kepler, K2, TESS missions and more.


Scientists Peer Into a Brown Dwarf, Find Stormy Atmosphere

This artist's conception illustrates the brown dwarf named 2MASSJ22282889-431026. NASA's Hubble and Spitzer space telescopes observed the object to learn more about its turbulent atmosphere. Brown dwarfs are more massive and hotter than planets but lack the mass required to become sizzling stars. Their atmospheres can be similar to the giant planet Jupiter's. (Image: NASA/JPL-Caltech)

A University of Arizona-led team of astronomers for the first time has used NASA's Spitzer e Hubble space telescopes simultaneously to peer into the stormy atmosphere of a brown dwarf, creating the most detailed “weather map” yet for this class of strange, not-quite-star-and-not-quite-planet objects. The forecast shows wind-driven, planet-sized clouds enshrouding these strange worlds.


Research Box Title

Jupiter may be the bully planet of our solar system because it's the most massive planet. But it's actually a runt compared to many of the giant planets found around other stars.

These alien worlds, called super-Jupiters, weigh up to 13 times Jupiter's mass. Astronomers have analyzed the composition of some of these monsters. But it has been difficult to study their atmospheres in detail because these gas giants get lost in the glare of their parent stars.

Researchers, however, have a substitute: the atmospheres of brown dwarfs, so-called failed stars that are up to 80 times Jupiter's mass. These hefty objects form out of a collapsing cloud of gas, as stars do, but lack the mass to become hot enough to sustain nuclear fusion in their cores, which powers stars.

Instead, brown dwarfs share a kinship with super-Jupiters. Both types of objects have similar temperatures and are extremely massive. They also have complex, varied atmospheres. The only difference, astronomers think, is their pedigree. Super-Jupiters form around stars brown dwarfs often form in isolation.

A team of astronomers, led by Elena Manjavacas of the Space Telescope Science Institute in Baltimore, Maryland, has tested a new way to peer through the cloud layers of these nomadic objects. The researchers used an instrument at the W. M. Keck Observatory in Hawaii to study in near-infrared light the colors and brightness variations of the layer-cake cloud structure in the nearby, free-floating brown dwarf known as 2MASS J22081363+2921215.

The Keck Observatory instrument, called the Multi-Object Spectrograph for Infrared Exploration (MOSFIRE), also analyzed the spectral fingerprints of various chemical elements contained in the clouds and how they change with time. This is the first time astronomers have used the MOSFIRE instrument in this type of study.

These measurements offered Manjavacas a holistic view of the brown dwarf's atmospheric clouds, providing more detail than previous observations of this object. Pioneered by Hubble observations, this technique is difficult for ground-based telescopes to do because of contamination from Earth's atmosphere, which absorbs certain infrared wavelengths. This absorption rate changes due to the weather.

"The only way to do this from the ground is using the high-resolution MOSFIRE instrument because it allows us to observe multiple stars simultaneously with our brown dwarf," Manjavacas explained. "This allows us to correct for the contamination introduced by the Earth's atmosphere and measure the true signal from the brown dwarf with good precision. So, these observations are a proof-of-concept that MOSFIRE can do these types of studies of brown-dwarf atmospheres."

Manjavacas will present her results June 9 in a press conference at the virtual meeting of the American Astronomical Society.

The researcher decided to study this particular brown dwarf because it is very young and therefore extremely bright and has not cooled off yet. Its mass and temperature are similar to those of the nearby giant exoplanet Beta Pictoris b, discovered in 2008 near-infrared images taken by the European Southern Observatory's Very Large Telescope in northern Chile.

"We don't have the ability yet with current technology to analyze in detail the atmosphere of Beta Pictoris b," Manjavacas said. "So, we’re using our study of this brown dwarf's atmosphere as a proxy to get an idea of what the exoplanet's clouds might look like at different heights of its atmosphere."

Both the brown dwarf and Beta Pictoris b are young, so they radiate heat strongly in the near-infrared. They are both members of a flock of stars and sub-stellar objects called the Beta Pictoris moving group, which shares the same origin and a common motion through space. The group, which is about 33 million years old, is the closest grouping of young stars to Earth. It is located roughly 115 light-years away.

While they're cooler than bona fide stars, brown dwarfs are still extremely hot. The brown dwarf in Manjavacas' study is a sizzling 2,780 degrees Fahrenheit (1,527 degrees Celsius).

The giant object is about 12 times heavier than Jupiter. As a young body, it is spinning incredibly fast, completing a rotation every 3.5 hours, compared to Jupiter's 10-hour rotation period. So, clouds are whipping it, creating a dynamic, turbulent atmosphere.

Keck Observatory's MOSFIRE instrument stared at the brown dwarf for 2.5 hours, watching how the light filtering up through the atmosphere from the dwarf's hot interior brightens and dims over time. Bright spots that appear on the rotating object indicate regions where researchers can see deeper into the atmosphere, where it is hotter. Infrared wavelengths allow astronomers to peer deeper into the atmosphere. The observations suggest the brown dwarf has a mottled atmosphere with scattered clouds. If viewed close-up, it might resemble a carved Halloween pumpkin, with light escaping from its hot interior.

Its spectrum reveals clouds of hot sand grains and other exotic elements. Potassium iodide traces the object's upper atmosphere, which also includes magnesium silicate clouds. Moving down in the atmosphere is a layer of sodium iodide and magnesium silicate clouds. The final layer consists of aluminum oxide clouds. The atmosphere's total depth is 446 miles (718 kilometers). The elements detected represent a typical part of the composition of brown dwarf atmospheres, Manjavacas said.

The researcher and her team used computer models of brown dwarf atmospheres to determine the location of the chemical compounds in each cloud layer.

Manjavacas' plan is to use Keck Observatory's MOSFIRE to study other atmospheres of brown dwarfs and compare them to those of gas giants. Future telescopes such as NASA's James Webb Space Telescope , an infrared observatory scheduled to launch later this year, will provide even more information about a brown dwarf's atmosphere. "JWST will give us the structure of the entire atmosphere, providing more coverage than any other telescope," Manjavacas said.

The researcher hopes that MOSFIRE can be used in tandem with JWST to sample a wide range of brown dwarfs. The goal is a better understanding of brown dwarfs and giant planets.

Donna Weaver
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland

Christine Pulliam
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland

Elena Manjavacas
Space Telescope Science Institute, Baltimore, Maryland


Astronomers Detect Turbulent Bands of Clouds on a Brown Dwarf 6.5 Light-Years Away

A brown dwarf 6.5 light-years from Earth in the constellation of Vela could be banded like a bumblebee butt. New observations of the object seem to show stripes of clouds that circle its entire globe, similar to those on Jupiter.

It's not the first time such bands have been detected on a brown dwarf - but it is the first time astronomers have made such a detection using polarimetry, taking measurements of objects based on the way the light they emit is twisted, or polarised.

It's not a new technique, but advances in technology and analysis techniques are giving it new life as a tool for understanding our cosmos, astronomers note.

"Polarimetry is receiving renewed attention in astronomy," said astronomer Dimitri Mawet of Caltech and the Jet Propulsion Laboratory.

"Polarimetry is a very difficult art, but new techniques and data analysis methods make it more precise and sensitive than ever before, enabling groundbreaking studies on everything from distant supermassive black holes, newborn and dying stars, brown dwarfs and exoplanets, all the way down to objects in our own Solar System."

A distance of 6.5 light-years is really small in astronomical terms, but it's a long way away to try to pick out details on an object as small and dim as a brown dwarf.

Brown dwarfs are an intermediate between planets and stars, and are often called "failed stars". They form the same way stars do - from the collapse of dense knots of material in cosmic gas clouds - but they're just not quite massive enough for hydrogen fusion in their cores.

Some of them could fuse deuterium, but they run out of fuel pretty quickly compared to 'real' stars brown dwarfs are expected to undergo a cooling and contracting process similar to white dwarfs.

However we choose to look at them, brown dwarfs are pretty weird, sitting in an oddball class all of their own - not quite a planet, not quite a star. But learning more about them can help us to understand more about stars, planets, and, of course, the brown dwarfs themselves.

It's thought that brown dwarfs don't develop atmospheric phenomena such as cloudy conditions until they are past the first blush of youth and are already starting to cool.

And this is where a brown dwarf discovered in 2013 comes in. Actually, it's two brown dwarfs - a binary brown dwarf system called Luhman 16AB. They're the closest brown dwarfs to Earth, and therefore excellent candidates to try and conduct a detailed study.

A previous study has detected what astronomers think are clouds on three other brown dwarfs, as well as one member of the binary pair, using measurements of their brightness to infer the presence of atmospheric changes. But what about bands of clouds that don't alter the overall brightness profile of the object?

So astronomer Maxwell Millar-Blanchaer of Caltech and colleagues used the European Southern Observatory's Very Large Telescope (VLT) in Chile to determine if they could make out details on one of the brown dwarfs - Luhman A - using polarimetry.

"Polarimetry is the only technique that is currently able to detect bands that don't fluctuate in brightness over time," Millar-Blanchaer said. "This was key to finding the bands of clouds on Luhman 16A, on which the bands do not appear to be varying."

The technique didn't allow the team to see the actual clouds. That would be amazing, but it's a little outside our capabilities at the present time.

Rather, the team took polarimetric measurements of the brown dwarf, and then used sophisticated modelling to try to reproduce the polarisation signature they observed. Two thick, permanent bands of clouds, like those seen on Jupiter, were a close match.

And, like Jupiter, those clouds would be roiling, turbulent weather mess machines.

"We think these storms can rain things like silicates or ammonia. It's pretty awful weather, actually," said astronomer Julien Girard of the Space Telescope Science Institute.

And the research has implications well beyond Luhman A. As our instruments continue to improve, we may be able to use polarimetry to study the atmospheres of exoplanets, looking not just for weather, but to see whether we can identify the conditions for life.


"Astronomers' sunglasses" spot stripy clouds in brown dwarf atmosphere

Using polarized light, astronomers have detected signs of cloud bands in the atmosphere of a brown dwarf far beyond the solar system. It turns out that these gassy giants have a similar appearance to Jupiter, and the same kind of wild weather.

Caught in the middle ground between planets and stars, brown dwarfs are enigmatic objects. They form in the same way as stars, when pockets of gas and dust clouds collapse under their own gravity. Stars eventually collect enough mass to create tremendous pressure and heat, igniting the core with nuclear fusion.

But brown dwarfs don’t make it quite that far. While they end up with much larger masses than Jupiter – up to 80 times more, in fact – that’s still not enough for them to fire up as a star. Instead, they find themselves stuck as a cool ball.

Brown dwarfs occupy the middle ground between planets and stars

Now, a new study has shown just how Jupiter-like brown dwarfs can be. A team of astronomers has used the Very Large Telescope (VLT) in Chile to look for signs of clouds in the atmosphere of Luhman 16A, the closest brown dwarf to Earth. It’s part of a binary system of brown dwarfs, located a celestial stone’s-throw away at just 6.5 light-years.

The team studied the object by measuring the polarization of light coming from it. Light that radiates from its warm surface scatters off molecules in the atmosphere, polarizing it in a certain way. Polarimetric instruments, which the team describes as “astronomer’s sunglasses,” can then tell if this polarization is uniform across the whole object, or if it’s stronger in some parts than others.

In this case, the signals were stronger in some parts, indicating cloud bands streaking across the Luhman 16A. However, it didn’t reveal how many bands there were. To figure that out, the researchers modeled different cloud band patterns, and the one that most closely matched the brown dwarf’s light imprint was for two large bands.

That pattern is similar to what we see on Jupiter. The models also suggested that these clouds would create storms where it rains silicates or ammonia.

With the current study acting as a proof of concept, the team says that studying polarized light could help give us a better understanding of the clouds, atmospheres and, ultimately, habitability of exoplanets. That could be invaluable in the search for alien life.

"Polarimetry is very sensitive to cloud properties, both in brown dwarfs and exoplanets," says Maxwell Millar-Blanchaer, lead author of the study. "This is the first time that it's really been exploited to understand cloud properties outside of the solar system.”

The research was published in The Astrophysical Journal. The team describes the work in the video below.


Guarda il video: LE NANE BRUNE (Luglio 2022).


Commenti:

  1. Huntir

    This is some kind of urbanization

  2. Tokree

    Niente di speciale.

  3. Timoteo

    C'è qualcosa in questo. Grazie per la spiegazione.

  4. Markus

    La domanda è interessante, anch'io parteciperò alla discussione.

  5. Dut

    Mi congratulo per questa brillante idea

  6. Mubei

    È vero! Penso che sia una buona idea. E ha un diritto alla vita.



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