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Los astrónomos estudian la estructura de la capa de la torta en la extraña atmósfera del monstruo enano marrón

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Concepto artístico de 2MASS J22081363 + 2921215, una enana marrón cercana. Aunque la enana marrón se encuentra a unos 115 años luz de distancia, está lejos de cualquier característica atmosférica que pueda captarse. En cambio, los investigadores utilizaron el instrumento MOSFIRE del Observatorio WM Keck para estudiar los cambios de color y brillo en la estructura de la nube de la capa de torta de la enana marrón, como se ve en la luz del infrarrojo cercano. MOSFIRE también ha recopilado las huellas digitales espectrales de muchos de los elementos químicos presentes en las nubes y cómo cambian con el tiempo. Crédito: NASA, ESA, STScI, Leah Hustak (STScI), Greg T. Bacon (STScI)

Júpiter Puede que sea el planeta matón de nuestro sistema solar porque es el planeta más masivo, pero en realidad es un resumen de los muchos planetas gigantes alrededor de otras estrellas.

Estos extraños mundos, llamados súper Júpiter, pesan 13 veces la masa de Júpiter. Los astrónomos han analizado la composición de algunos de estos monstruos, pero su atmósfera ha sido difícil de estudiar en detalle porque estos planetas gigantes gaseosos se pierden en el brillo de sus estrellas madres.

Sin embargo, los investigadores tienen una alternativa: las atmósferas de las enanas marrones, las llamadas estrellas fallidas con una masa de hasta 80 veces la de Júpiter. Estos objetos masivos se forman a partir de una nube de gas que colapsa, como lo hacen las estrellas, pero carecen de la masa para calentarse lo suficiente como para sostener la fusión nuclear en sus núcleos, que alimenta a las estrellas.

En cambio, las enanas marrones comparten un parentesco con los super-Júpiter. Ambos tipos de cuerpos tienen temperaturas similares y son muy masivos. También tienen un ambiente complejo y variado. Los astrónomos creen que la única diferencia es su linaje. Los súper Júpiter se forman alrededor de las estrellas; Las enanas marrones a menudo se forman de forma aislada.

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Un equipo de astrónomos, dirigido por Elena Mangavakas del Space Telescope Science Institute en Baltimore, Maryland, ha probado una nueva forma de mirar a través de las capas de nubes de estos objetos nómadas. Los investigadores utilizaron un instrumento en el Observatorio W.M. Keck en Maunakea en Hawai para estudiar los cambios de color y brillo de la estructura de la nube de la capa de torta en una enana marrón cercana flotante conocida como 2MASS J22081363 + 2921215 en luz infrarroja cercana.

El instrumento del Observatorio Keck, llamado Espectrómetro Infrarrojo de Exploración de Objetivos Múltiples (MOSFIRE), también ha analizado las huellas dactilares espectrales de muchos de los elementos químicos presentes en las nubes y cómo cambian con el tiempo. Esta es la primera vez que los astrónomos utilizan MOSFIRE en este tipo de estudio.

Estas mediciones de Manjavacas proporcionaron una vista completa de las nubes de la atmósfera de la enana marrón, proporcionando más detalles que las observaciones anteriores de este objeto. Esta técnica, inventada por las observaciones del Hubble, es difícil de realizar para los telescopios terrestres debido a la contaminación de la atmósfera terrestre, que absorbe ciertas longitudes de onda de radiación infrarroja. Esta tasa de absorción cambia debido al clima.

Estructura de pastel de capas para jo enana marrón

Este gráfico muestra sucesivas capas de nubes en la atmósfera de una enana marrón cercana flotando libremente. Las refracciones en las nubes superiores han permitido a los astrónomos sondear más profundamente en la atmósfera de una enana marrón llamada 2MASS J22081363 + 2921215. Las enanas marrones son más grandes que los planetas, pero demasiado pequeñas para sostener la fusión nuclear que alimenta las estrellas. Esta ilustración se basa en observaciones infrarrojas de los colores de las nubes y los cambios de brillo, así como en las huellas digitales espectrales de los diversos elementos químicos en las nubes y en el modelado atmosférico. Crédito: NASA, ESA, STScI, Andi James (STScI)

dijo Mangavakas, ex astrónomo del Observatorio Keck y autor principal de un libro de estudio. “Esto nos permite corregir la contaminación de la atmósfera de la Tierra y medir la señal real de la enana marrón con buena precisión. Por lo tanto, estas observaciones son una prueba de concepto de que MOSFIRE puede realizar este tipo de estudios de atmósferas de enanas marrones”.

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Decidí estudiar esta enana marrón precisamente porque es muy pequeña y por tanto muy brillante. Aún no se ha enfriado. Su masa y temperatura son similares a las del gigante cercano. planeta extrasolar Beta Pictoris b, descubierto en 2008 imágenes de infrarrojo cercano tomadas por el Observatorio Europeo Austral telescopio muy grande en el norte de Chile.

“Aún no tenemos la capacidad con la tecnología actual para analizar la atmósfera de Beta Pictoris b en detalle”, dijo Mangavakas. “Por lo tanto, estamos usando nuestro estudio de la atmósfera de esta enana marrón como un proxy para tener una idea de cómo se verían las nubes de exoplanetas en diferentes altitudes de su atmósfera”.

Tanto la enana marrón como Beta Pictoris b son pequeñas, por lo que irradian calor fuertemente en el infrarrojo cercano. Ambos son miembros de una bandada de estrellas y cuerpos cuasi estelares llamados grupo móvil Beta Pictoris, que comparten el mismo origen y movimiento común a través del espacio. El cúmulo, que tiene unos 33 millones de años, es el grupo de estrellas jóvenes más cercano a la Tierra. Se encuentra a unos 115 años luz de distancia.

Si bien son más frías que las estrellas genuinas, las enanas marrones todavía están muy calientes. La temperatura de la enana marrón en el estudio de Manjavacas es de 2780 grados. Fahrenheit (1.527 ° Celsius).

El objeto gigante es aproximadamente 12 veces más pesado que Júpiter. Cuando era un cuerpo joven, gira a una velocidad asombrosa, completando su rotación cada 3,5 horas, en comparación con el período de rotación de 10 horas de Júpiter. Entonces, las nubes giran alrededor del planeta, creando una atmósfera dinámica turbulenta.

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El instrumento MOSFIRE del Observatorio Keck miró fijamente a la enana marrón durante 2,5 horas, observando cómo la luz fluía a través de la atmósfera desde el interior de la enana caliente y se atenuaba con el tiempo. Los puntos brillantes que aparecieron en el objeto giratorio indican áreas donde los investigadores pueden ver más profundamente en la atmósfera, donde hace más calor. Las longitudes de onda infrarrojas permiten a los astrónomos profundizar en la atmósfera. Las observaciones indican que la atmósfera de la enana marrón está salpicada de nubes dispersas. Visto de cerca, el planeta podría parecerse a una calabaza tallada para Halloween, con luz escapando de su cálido interior.

Su espectro revela nubes de granos de arena caliente y otros elementos exóticos. El yoduro de potasio rastrea la atmósfera superior del objeto, que también incluye nubes de silicato de magnesio. Una capa de yoduro de sodio se mueve y arrastra el silicato de magnesio hacia la atmósfera. La capa final consiste en extrusiones de óxido de aluminio. La profundidad total de la atmósfera es de 446 millas (718 kilómetros). Los elementos detectados son una parte típica de la composición de las atmósferas de las enanas marrones, dijo Mangavakas.

Ella y su equipo utilizaron modelos informáticos de atmósferas enanas marrones para localizar compuestos químicos en cada capa de nubes.

El estudio se publicará en Diario astronómico.

Referencia: “Revelando la estructura de la nube vertical de una enana marrón de masa pequeña, un análogo del exoplaneta Beta Pictoris b, por contraste espectroscópico Keck I / MOSFIRE” por Elena Manjavacas, Theodora Karalidi, Johanna Vos, Beth Beller y Ben W.B. Liu, aceptable , Diario astronómico.
arXiv: 2107.12368

El plan de Manjavacas es utilizar el MOSFIRE del Observatorio Keck para estudiar las otras atmósferas de las enanas marrones y compararlas con las de los gigantes gaseosos. Los telescopios futuros, como el telescopio espacial James Webb de la NASA, un observatorio de infrarrojos que se lanzará a finales de este año, proporcionarán más información sobre la atmósfera de la enana marrón.

“La tecnología JWST nos dará la estructura de toda la atmósfera, proporcionando más cobertura que cualquier otro telescopio”, dijo Mangavakas.

Ella espera que MOSFIRE pueda usarse junto con JWST para muestrear una amplia variedad de enanas marrones y obtener una mejor comprensión de las enanas marrones y los planetas gigantes.

“Los exoplanetas son mucho más diversos de lo que vemos localmente en el sistema solar”, dijo el científico jefe del Observatorio Keck, John O’Meara. “Es un trabajo como este, y el trabajo futuro con Keck y JWST, lo que nos dará una imagen más completa de la diversidad de planetas que orbitan otras estrellas”.