Bir kahverengi cücede amonyak izotopologlarının tespiti James Webb Uzay Teleskobu gaz devlerinin ve ötegezegenlerin oluşumuna dair çığır açıcı bilgiler sunarak potansiyel alternatif oluşum süreçlerini ortaya çıkarıyor.
Şarabın kökenini, kemiklerin ve fosillerin yaşını ortaya koyuyorlar ve tıpta teşhis aracı olarak hizmet ediyorlar. İzotoplar ve izotopologlar (yalnızca izotoplarının bileşimi bakımından farklılık gösteren moleküller) astronomide giderek daha önemli bir rol oynamaktadır. Örneğin, bir atmosferdeki karbon-12 (12C) izotoplarının karbon-13 (13C) izotoplarına oranı dış gezegen bilim adamlarının ötegezegenin merkezi yıldızının yörüngesindeki mesafeyi çıkarmasına olanak tanır.
Şimdiye kadar bir dış gezegenin atmosferinde ölçülebilen tek izotopologlar karbon monoksite bağlı 12C ve 13C idi. Artık bir araştırma ekibi, soğuk kahverengi bir cücenin atmosferindeki amonyak izotopologlarını tespit etmeyi başardı. Ekibin az önce dergide bildirdiği gibi Doğaamonyak 14NH3 ve 15NH3 formunda ölçülebilir. Fizik Bölümü’nün yanı sıra Ulusal Araştırma Yeterlilik Merkezi (NCCR) PlanetS üyesi astrofizikçiler Polychronis Patapis ve Adrian Glauser de çalışmaya dahil edildi; Patapis ilk yazarlardan biri oldu.
Kahverengi cüceler yıldızlar ve gezegenler arasında bir yerdedirler: Birçok yönden dev gaz gezegenlerine benzerler, bu yüzden gaz devlerini incelemek için bir model sistem olarak kullanılabilirler. Patapis ve meslektaşları çalışmalarında, Dünya’dan 32,5 ışıkyılı uzaklıkta bulunan, WISE J1828 adlı kahverengi bir cüceyi gözlemlediler; gece gökyüzünde lir takımyıldızı Lyra’da bulunur.
WISE J1828 çıplak gözle görülemez: yalnızca 100°C’lik etkili bir sıcaklıkla (yani, gözlenen nesneyle aynı miktarda enerji yayan bir kara cismin sıcaklığı), hidrojen füzyonu için çok soğuktur. gerçekleşmesi ve ışığın Dünya’ya gönderilmesi. Y spektral sınıfına ait bu aşırı soğuk cüce yıldızı tespit etmek için James Webb Uzay Teleskobu’nun (JWST) aynaları geçen yaz lir yönüne çevrildi.
JWST’ye monte edilmiş bir kızılötesi dedektör olan Mid-InfraRed Instrument (MIRI), WISE J1828’deki amonyak izotopologlarının ortaya çıkarılmasını mümkün kıldı. MIRI’nin Orta Çözünürlüklü Spektrometresi (MRS), 4,9 ila 27,9 μm arasındaki dalga boyu aralığında, kahverengi cücenin bir spektrumunu kaydetti; burada araştırmacılar, amonyağa ek olarak, her biri karakteristik soğurma bantlarına sahip su ve metan moleküllerini gözlemledi. Özellikle amonyak, 9 ila 13 μm dalga boyu aralığında dedektöre ulaşan sinyalin zayıflamasına neden olur.
Amonyak izotopologları spektroskopik olarak da çözülebilir: Amonyak molekülleri, üç hidrojen atomuna bağlı en yaygın nitrojen izotopu 14N’den değil de 15N artı üç hidrojen atomundan oluşuyorsa, nitrojen çekirdeğindeki ilave nötron şunu sağlar: spektrumda 15NH3’ün varlığıyla açıklanabilecek bir bükülme vardır.
WISE J1828’in atmosferinde ölçülen iki amonyak izotopologunun oranı özellikle heyecan vericidir: Patapis ve meslektaşlarının açıkladığı gibi, 14NH3’e 15NH3 oranı bir izleyicidir, yani gelecekte araştırma yapmak için kullanılabilecek bir göstergedir. yıldız ve gezegen oluşumu. Gaz devlerinin bilinen farklı oluşum mekanizmalarını test etmeye yardımcı olacak yeni bir araç.
Gaz devleri gibi Jüpiter veya Satürn Güneş Sistemimize özel değildir. Bu cisimler, ötegezegenlerin incelenmesinde önemli bir rol oynarlar: yıldızların oluşumu sırasında erken ortaya çıkarlar ve dolayısıyla daha küçük, daha hafif gezegenlerin gelişip gelişmeyeceğini ve nasıl gelişeceğini belirleyen çok önemli bir faktördür. Şu ana kadar devasa gaz devlerinin nasıl oluştuğu sorusuna kesin bir cevap bulunamadı. Uzmanlar farklı teoriler geliştirdiler, ancak bu gezegenlerin diğer gezegenlerin çoğu gibi nükleer birikimle mi yoksa öncül yıldızın etrafındaki proto-gezegen diskindeki yerçekimsel çöküşün bir sonucu olarak mı oluştuğu belli değil.
Patapis ve iş arkadaşları tarafından kaydedilen izotopolog oranı yeni ipuçları sağlayabilir. Dünya’da her 15N’ye karşılık 272 14N atom vardır. atom. Makale, WISE J1828’in atmosferinde ölçülen 14NH3’e 15NH3 oranının 670 olduğunu bildiriyor; bu, kahverengi cücenin oluşumu sırasında Dünya’ya ve Jüpiter gibi diğer gezegenlere kıyasla daha az nitrojen-15 biriktirdiği anlamına geliyor . Aslında, WISE J1828’de 15N’nin bolluğu Güneş Sistemimizdeki tüm gök cisimlerinde olduğundan daha azdır.
İzotop fraksiyonlaması olarak adlandırılan süreçler, yani izotop bolluğundaki değişim tam olarak anlaşılamamıştır, ancak kuyruklu yıldızların önemli ölçüde daha yüksek bir 15N içeriğine sahip olması nedeniyle kuyruklu yıldız etkilerinin nitrojen-15 zenginleşmesine katkıda bulunduğu düşünülmektedir. Kuyruklu yıldız çarpmalarının aynı zamanda Güneş Sistemi’ndeki temel bir gezegensel yapı taşı olduğuna inanılıyor: Kuyruklu yıldızlar, ne ölçüde olduğu tam olarak belli olmasa da, Dünya atmosferinin oluşumuna katkıda bulundu.
WISE J1828’in spektrumundaki düşük 15NH3 içeriği, kahverengi cücenin olağan gezegen oluşumunu (nükleer birikim) takip etmediğini, bunun yerine yıldız benzeri bir senaryo oluşturduğunu, yani kütleçekimsel çöküşe işaret eden bir senaryoyu akla getiriyor. Dolayısıyla bu tür kütleçekimsel istikrarsızlığın gaz devlerinin, özellikle de yıldızlarının etrafında büyük yörüngelerde hareket edenlerin oluşumunda önemli bir rol oynaması muhtemeldir.
Aslında bu makalede tartışılan bir diğer önemli noktadır: 14NH3’e 15NH3 oranı, amonyak ve moleküler nitrojen buzu arasında oluşan bir gezegenin simülasyonlarında gösterildiği gibi, bir gaz devi ile yıldızı arasındaki mesafeye bağlı olarak büyük ölçüde değişiyor gibi görünmektedir. çizgiler. Astronomide buz çizgileri, sıcaklığın belirli bir uçucu kimyasal bileşiğin katı bir forma dönüşmesi için yeterince düşük olduğu merkezi yıldızdan minimum mesafeleri gösterir.
Patapis ve meslektaşlarına göre, 14NH3’e 15NH3 oranındaki artışın gözlemlenmesi, amonyak ve nitrojen buz çizgileri arasında gezegensel buz birikiminin göstergesi olabilir.
Gökbilimciler doğrudan gözlemlenebilir ötegezegenleri incelemek için ek bir araç elde etti. Amonyak izi ancak JWST sayesinde somut hale geldi ve bu uzay teleskopunun muazzam değerini ve benzersiz performansını bir kez daha doğruladı.
Referans: David Barrado, Paul Mollière, Polychronis Patapis, Michiel Min, Pascal Tremblin, Francisco Ardevol Martinez, Niall Whiteford, Malavika Vasist, Ioannis Argyriou, Matthias Samland, Pierre-Olivier Lagage, “Soğuk kahverengi cüce atmosferinde 15NH3”, Leen Decin, Rens Waters, Thomas Henning, María Morales-Calderón, Manuel Guedel, Bart Vandenbussche, Olivier Absil, Pierre Baudoz, Anthony Boccaletti, Jeroen Bouwman, Christophe Cossou, Alain Coulais, Nicolas Crouzet, René Gastaud, Alistair Glasse, Adrian M. Glauser, Inga Kamp, Sarah Kendrew, Oliver Krause, Fred Lahuis, Michael Mueller, Göran Olofsson, John Pye, Daniel Rouan, Pierre Royer, Silvia Scheithauer, Ingo Waldmann, Luis Colina, Ewine F. van Dishoeck, Tom Ray, Göran Östlin ve Gillian Wright, 6 Kasım 2023, Doğa.
DOI: 10.1038/s41586-023-06813-y