Astronomie

Braune Zwergwolkenmodelle

Braune Zwergwolkenmodelle

Es gab Untersuchungen, die darauf hindeuten, dass die sich ändernde Helligkeit von Braunen Zwergen auf Bänder von Eisen-/Silikatwolken zurückzuführen ist. Es wurden mehrere Modelle erstellt, die diese Hypothese unterstützen. Meine Frage ist: Welcher Teil des Modells sind die tatsächlichen Wolken? Sind die Wolken die leuchtend orangefarbenen Teile? Oder sind diese hellen Bereiche in den Wolken und einem Blick auf den Braunen Zwerg darunter.

5 MB animiertes GIF: Brown Dwarf Cloud Model


Anfängliche Recherchen erwiesen sich als falsch, da die Intuition nicht mit den Erwartungen übereinstimmt.

Wie auch immer, das vom OP zitierte Papier scheint die Antwort auf die Frage ziemlich gut zusammenzufassen:

In dieser Erklärung stellen die dunklen Bereiche unserer Karte dickere Wolken dar, die tiefere, heißere Teile der Atmosphäre verdecken und eine höher gelegene (und damit kältere) Emissionsoberfläche darstellen, während helle Regionen Löchern in den oberen Wolkenschichten entsprechen, die a Blick ins heißere, tiefere Innere.

Auszug aus einer globalen Wolkenkarte des nächsten bekannten Braunen Zwergs

Anfangs nahm ich an, dass die metallischen Wolken die Strahlung des nahen Sterns reflektieren würden, aber wie sich herausstellte, emittiert die heiße Atmosphäre Infrarotstrahlung, die die Helligkeit viel stärker beeinflusst.

Mehr zu Braunen Zwergen hier.


Hinweise auf Wasserwolken im Spektrum des kältesten Braunen Zwergs

Eine künstlerische Darstellung von WISE 0855, wie sie aussehen könnte, wenn sie aus der Nähe in Infrarotlicht betrachtet wird. Bildnachweis: Joy Pollard, Gemini Observatory/AURA. Seit seiner Entdeckung im Jahr 2014 fasziniert der Braune Zwerg namens WISE 0855 (vollständige Bezeichnung WISE J085510.83−071442.5) im Sternbild Hydra Astronomen. Nur 7,2 Lichtjahre von der Erde entfernt ist es das kälteste bekannte Objekt außerhalb unseres Sonnensystems und mit den größten erdgebundenen Teleskopen im Infrarotbereich gerade noch sichtbar.

Nun ist es einem Team unter der Leitung von Astronomen der UC Santa Cruz gelungen, mit dem Gemini North Telescope auf Hawaii ein Infrarotspektrum von WISE 0855 zu erhalten, das erste Details zur Zusammensetzung und Chemie des Objekts liefert. Zu den Ergebnissen gehören starke Beweise für die Existenz von Wasser- oder Wassereiswolken, den ersten solchen Wolken, die außerhalb unseres Sonnensystems entdeckt wurden.

“Wir würden erwarten, dass ein so kaltes Objekt Wasserwolken hat, und dies ist der beste Beweis dafür,”, sagte Andrew Skemer, Assistenzprofessor für Astronomie und Astrophysik an der UC Santa Cruz. Skemer ist Erstautor eines Artikels zu den neuen Erkenntnissen, der in den Astrophysical Journal Letters veröffentlicht wird und derzeit online verfügbar ist.

Fehlgeschlagener Stern
Ein Brauner Zwerg ist im Wesentlichen ein gescheiterter Stern, der sich wie Sterne durch den Gravitationskollaps einer Gas- und Staubwolke gebildet hat, aber ohne genügend Masse zu gewinnen, um die Kernfusionsreaktionen auszulösen, die Sterne zum Leuchten bringen. Mit etwa der fünffachen Masse des Jupiter ähnelt WISE 0855 diesem Gasriesenplaneten in vielerlei Hinsicht. Seine Temperatur beträgt etwa 250 K oder etwa -23 °C (-10 °F), was ihn fast so kalt wie Jupiter macht, der 130 K beträgt. Dieses Diagramm zeigt die Positionen der sonnennächsten Sternensysteme. Das Jahr, in dem die Entfernung zu jedem System ermittelt wurde, wird nach dem Namen des Systems aufgeführt. Der Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) der NASA fand zwei der vier nächstgelegenen Systeme: den binären Braunen Zwerg WISE 1049-5319 und den Braunen Zwerg WISE 0855-0714. Das Spitzer-Weltraumteleskop der NASA half dabei, den Standort des letzteren Objekts zu bestimmen. Das sonnennächste System ist ein Trio von Sternen, das aus Alpha Centauri, einem nahen Gefährten, und Proxima Centauri besteht. Bildnachweis: NASA/Penn State University. “WISE 0855 ist unsere erste Gelegenheit, ein extrasolares Objekt mit planetarer Masse zu untersuchen, das fast so kalt ist wie unsere eigenen Gasriesen,” Skemer.

Frühere Beobachtungen des Braunen Zwergs, die 2014 veröffentlicht wurden, lieferten auf der Grundlage sehr begrenzter photometrischer Daten vorläufige Hinweise auf Wasserwolken. Skemer, ein Mitautor des früheren Papiers, sagte, dass das Erhalten eines Spektrums (das das Licht von einem Objekt in seine Komponentenwellenlängen zerlegt) die einzige Möglichkeit ist, die molekulare Zusammensetzung eines Objekts zu erkennen.

WISE 0855 ist für konventionelle Spektroskopie bei optischen oder nahen Infrarotwellenlängen zu schwach, aber die thermische Emission aus der tiefen Atmosphäre bei Wellenlängen in einem schmalen Fenster um 5 Mikrometer bot eine Möglichkeit, bei der Spektroskopie “herausfordernd, aber nicht unmöglich wäre” er sagte.

Das Team nutzte das Gemini-North-Teleskop auf Hawaii und den Gemini Near Infrared Spectrograph, um WISE 0855 über 13 Nächte insgesamt etwa 14 Stunden lang zu beobachten.

“Es ist fünfmal lichtschwächer als jedes andere Objekt, das mit bodengestützter Spektroskopie bei dieser Wellenlänge erkannt wurde,” Skemer. “Da wir nun ein Spektrum haben, können wir wirklich darüber nachdenken, was in diesem Objekt vor sich geht. Unser Spektrum zeigt, dass WISE 0855 von Wasserdampf und Wolken dominiert wird, mit einer Gesamterscheinung, die auffallend an Jupiter erinnert.”

Bewölkte Atmosphäre
Die Forscher entwickelten atmosphärische Modelle der Gleichgewichtschemie für einen Braunen Zwerg bei 250 Kelvin und berechneten die resultierenden Spektren unter verschiedenen Annahmen, darunter bewölkte und wolkenfreie Modelle. Die Modelle sagten ein Spektrum voraus, das von Merkmalen dominiert wird, die aus Wasserdampf resultieren, und das bewölkte Modell ergab die beste Anpassung an die Merkmale im Spektrum von WISE 0855.

Beim Vergleich des Braunen Zwergs mit Jupiter stellte das Team fest, dass ihre Spektren in Bezug auf die Wasseraufnahmeeigenschaften auffallend ähnlich sind. Ein bedeutender Unterschied ist die Menge an Phosphin in der Atmosphäre des Jupiter. Phosphin bildet sich im heißen Inneren des Planeten und reagiert unter Bildung anderer Verbindungen in der kühleren äußeren Atmosphäre, so dass sein Auftreten im Spektrum ein Beweis für eine turbulente Mischung in der Atmosphäre des Jupiter ist. Das Fehlen eines starken Phosphinsignals im Spektrum von WISE 0855 deutet auf eine weniger turbulente Atmosphäre hin.

“Das Spektrum ermöglicht es uns, dynamische und chemische Eigenschaften zu untersuchen, die seit langem in der Atmosphäre von Jupiter untersucht wurden, diesmal jedoch auf einer extrasolaren Welt,” Skemer.


Wolkenbänder wirbeln über die Oberfläche des Braunen Zwergs

Astronomen haben scheinbar Wolkenbänder entdeckt, die über die Oberfläche eines kühlen sternähnlichen Körpers, der als Brauner Zwerg bekannt ist, streifen. Die Bänder, die denen ähneln, die die Oberfläche des Jupiter streifen, wurden mithilfe der Polarimetrie entdeckt, einer Technik, die auf die gleiche Weise funktioniert, wie polarisierte Sonnenbrillen das grelle Sonnenlicht abblocken.

“Ich denke oft an polarimetrische Instrumente wie die polarisierte Sonnenbrille eines Astronomen”, sagt Maxwell Millar-Blanchaer, Robert A. Millikan Postdoctoral Scholar in Astronomy am Caltech. “Aber anstatt zu versuchen, diese Blendung auszublenden, versuchen wir, sie zu messen.” Millar-Blanchaer ist Hauptautor einer neuen Studie zu den Ergebnissen, die zur Veröffentlichung angenommen wurde in Das Astrophysikalische Journal. Die Beobachtungen wurden mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte in Chile gemacht.

Während bereits früher Beweise für Wolkenbänder auf Braunen Zwergen gefunden wurden, ist diese Entdeckung das erste Mal, dass diese Merkmale mit der Polarimetrietechnik abgeleitet wurden.

“Polarimetrie erfährt in der Astronomie neue Aufmerksamkeit”, sagt Dimitri Mawet, Professor für Astronomie am Caltech und leitender Forscher am Jet Propulsion Laboratory, das von Caltech für die NASA geleitet wird. “Polarimetrie ist eine sehr schwierige Kunst, aber neue Techniken und Datenanalysemethoden machen sie präziser und empfindlicher als je zuvor und ermöglichen bahnbrechende Studien über alles, von weit entfernten supermassiven Schwarzen Löchern, neugeborenen und sterbenden Sternen, Braunen Zwergen und Exoplaneten, all den Weg hinunter zu Objekten in unserem eigenen Sonnensystem.”

Der Braune Zwerg in der neuen Studie, genannt Luhman 16A, ist Teil eines Paares, das zusammen das unserem Sonnensystem am nächsten bekannte binäre Braune Zwergsystem darstellt, das in einer Entfernung von 6,5 Lichtjahren liegt. Jede Kugel wurde 2013 vom Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) der NASA entdeckt und wiegt etwa das 30-fache der Masse des Jupiter. Braune Zwerge bilden sich ähnlich wie Sterne aus kollabierenden Gaswolken, aber ihnen fehlt die Masse, um sich letztendlich zu entzünden und mit Sternenlicht zu leuchten.

Frühere Beobachtungen mit dem Spitzer-Weltraumteleskop der NASA ergaben, dass drei andere Braune Zwerge Anzeichen von Wolkenstreifenbildung aufwiesen, und frühere Studien des Partners Brauner Zwerg von Luhman 16A, genannt Luhman 16B, haben auf das Vorhandensein großer Wolkenflecken geschlossen. Aber alle diese vorherigen Messungen untersuchten, wie sich die Helligkeit der Objekte im Laufe der Zeit änderte, und maßen kein polarisiertes Licht. In der neuen Studie wurde das NaCo-Instrument des VLT verwendet, um polarisiertes Licht von beiden Braunen Zwergen von Luhman zu untersuchen.

“Polarimetrie ist die einzige Technik, die derzeit in der Lage ist, Bänder zu erkennen, deren Helligkeit im Laufe der Zeit nicht schwankt”, sagt Millar-Blanchaer. “Dies war der Schlüssel zum Auffinden der Wolkenbänder auf Luhman 16A, auf denen die Bänder nicht zu variieren scheinen.”

Die Forscher erklären, dass sie den Braunen Zwerg zwar nicht abbilden können, aber ihre Messung der Menge des von ihm ausgehenden polarisierten Lichts ermöglicht es ihnen, durch ausgeklügelte atmosphärische Modellierung auf das Vorhandensein von Wolkenbändern zu schließen. Ihre Beobachtungen erlauben es ihnen nicht genau anzugeben, um wie viele Wolkenbänder sich auf Luhman 16A drehen, aber nach ihren Modellen könnte die Antwort zwei sein.

Ihre Modelle zeigen auch, dass die Wolkenflecken stürmisches Wetter ähnlich dem auf Jupiter haben würden.

“Wir glauben, dass diese Stürme Dinge wie Silikate oder Ammoniak regnen können. Eigentlich ist es ziemlich schreckliches Wetter, sagt Co-Autor Julien Girard vom Space Telescope Science Institute.

In Zukunft hofft das Team, diese Arbeit auf Messungen von Planeten um andere Sterne, sogenannte Exoplaneten, auszudehnen.

“Die Polarimetrie reagiert sehr empfindlich auf Wolkeneigenschaften, sowohl bei Braunen Zwergen als auch bei Exoplaneten,”, sagt Millar-Blanchaer. “Dies ist das erste Mal, dass es wirklich genutzt wird, um die Eigenschaften von Wolken außerhalb des Sonnensystems zu verstehen.”

Mit boden- und weltraumgestützten Teleskopen der nächsten Generation kann dieselbe Methode auch verwendet werden, um Exoplaneten zu untersuchen, die das Potenzial haben, Leben zu beherbergen. Die Polarimetrie sei nicht nur sehr empfindlich gegenüber atmosphärischen Eigenschaften, sagt Millar-Blanchaer, sondern auch auf die Art der Oberfläche eines Planeten, so dass sie eines Tages verwendet werden könnte, um flüssiges Oberflächenwasser zu entdecken, ein Zeichen für Bewohnbarkeit.

Die Studie mit dem Titel “Erkennung der Polarisation durch Wolkenbänder im nahegelegenen Braunen Zwerg Luhman 16” wurde von der National Science Foundation, der NASA und dem Europäischen Forschungsrat finanziert.


Fragen und Antworten

Was ist neu/wichtig an diesen Ergebnissen?
Die hier beschriebenen Ergebnisse liefern die erste Karte einer Braunen Zwergoberfläche und die erste Überwachung der Helligkeitsvariabilität Brauner Zwerge in mehr als zwei Wellenlängenbereichen (Filterbändern) gleichzeitig, die Informationen über verschiedene atmosphärische Schichten liefern.

Die Ergebnisse zeigen unterscheidbare Wolkenmerkmale und auch, dass dieser Braune Zwerg mehrere Schichten von fleckigen Wolken und/oder Temperaturschwankungen aufweisen muss, um die beobachtete Variabilität zu erzeugen. Dies ist der erste Nachweis dieser Art von komplexen, sich entwickelnden Wettermustern auf einem Braunen Zwerg, der eine Oberflächenkarte umfasst, und auch der erste, der eine Überwachung bei einer solchen Vielfalt von Wellenlängen umfasst.

Theoretiker sind nun gefordert, bessere und detailliertere Modelle für die atmosphärische Struktur von Braunen Zwergen bereitzustellen – die zusammen mit neuen Beobachtungsdaten ähnlich den hier beschriebenen zu einem viel detaillierteren Verständnis dieser Grenzobjekte führen sollen.

Die Ergebnisse sind auch in einem allgemeineren Kontext von Interesse. Theoretiker haben bereits verschiedene Möglichkeiten vorgeschlagen, um Wettermuster und Oberflächenmerkmale auf kleinen, kühlen, erdähnlichen Planeten zu beschreiben, aber die dafür benötigten Observatorien liegen noch viele Jahrzehnte in der Zukunft. Die jetzt veröffentlichte Braune Zwergenkarte und die Messungen von Biller et al. die einige Tiefeninformationen liefern, zusammen mit neueren Karten extrasolarer Planeten in niedrigerer Auflösung, stellen einen bedeutenden Fortschritt in Richtung auf das Ziel dar, Wettermuster in anderen Sonnensystemen zu verstehen.

Der nächste Schritt ist wahrscheinlich das SPHERE-Instrument, das Anfang 2014 am ESO&aposs Very Large Telescope am Paranal-Observatorium seinen Betrieb aufnehmen soll. SPHERE wurde von einem Konsortium unter der Leitung von Jean-Luc Beuzit (PI) vom Laboratoire d&aposAstrophysique entwickelttroph de l&aposObservatoire de Grenoble (Frankreich) und Markus Feldt (Co-PI) vom Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg sollen ähnliche Messungen für riesige Exoplaneten durchführen können.

Welche Instrumente wurden bei dieser Untersuchung verwendet?
Die Karte des Braunen Zwergs wurde aus spektroskopischen Daten rekonstruiert, die mit CRIRES gewonnen wurden, einem Spektrographen, der im Mai 2013 an einem der 8 Meter Very Large Telescopes (VLT) am Paranal-Observatorium der ESO in Chile installiert wurde.

Die Helligkeitsmessungen von Biller et al. nutzte im April 2013 die astronomische Kamera GROND am 2,2-m-Teleskop des ESO&aposs-Observatoriums La Silla in Chile. GROND wurde von der Hochenergiegruppe des Max-Planck-Instituts für extraterrestrische Physik in Garching in Zusammenarbeit mit der Landessternwarte Tautenburg und der ESO gebaut, und es kann gleichzeitig in sieben verschiedenen Wellenlängenbereichen (Filterbänder) Bilder aufnehmen.

Die ursprüngliche Entdeckung des Braunen Zwergs wurde Mitte März 2013 von der Kevin Luhman Pennsylvania State University unter Verwendung von Daten des NASA&aposs Infrarot-Observatoriums WISE gemacht. Ihre Katalognummern sind WISE J104915.57-531906.1 A und B, wobei A und B die konventionelle Bezeichnung für Doppelstern- (oder Braune Zwerg-) Komponenten sind. Dies ist das nächste Sternensystem, das seit fast einem Jahrhundert gefunden wurde. Es ist nur geringfügig weiter entfernt als der zweitnächste Stern, der 1916 entdeckte Barnard&aposs-Stern. Da Luhman zuvor 15 andere Doppelsysteme entdeckt hatte, wurde das neue System auch Luhman 16 genannt, eine Konvention, die in diesem Text übernommen wurde.

Wie ist es den Forschern gelungen, eine Oberflächenkarte zu rekonstruieren und wie haben sie die Schichtstruktur freigelegt?
Mit der gegenwärtigen Technologie ist es nicht möglich, Oberflächenkarten dieses Braunen Zwergs (oder anderer entfernter Sterne und Brauner Zwerge) auf die gleiche Weise zu erstellen, wie wir beispielsweise die Wolkenbänder des Jupiter kartieren würden, nämlich indem wir direkt Bilder aufnehmen, die alle zeigen die Details.

Die stattdessen verwendete indirekte Technik wird als Doppler-Bildgebung bezeichnet. Es macht sich die Tatsache zunutze, dass das Licht eines rotierenden Sterns bei der Rotation des Sterns leicht in der Frequenz verschoben wird. Aus den systematischen Verschiebungen lässt sich eine ungefähre Karte der Sternoberfläche rekonstruieren.

Um ein grobes Bild davon zu erhalten, wie dies geschieht, stellen Sie sich vor, Sie schweben hoch über dem Äquator der Erde und sehen zu, wie sich der Globus unter Ihnen dreht. Wenn ein auf dem Äquator sitzendes Objekt in Sichtweite kommt, bewegt es sich zuerst auf Sie zu, während es den Horizont überquert und in Sichtweite kommt, wenn es direkt unter Ihnen vorbeigeht Sicht, es wird sich mit Geschwindigkeit von Ihnen entfernen. Ein Objekt in höheren Breitengraden (d. h. in Richtung eines der Pole verschoben) folgt einem ähnlichen Muster, jedoch mit insgesamt niedrigeren Geschwindigkeiten. Ein Objekt, das sich an einem der Pole befindet, bewegt sich weder auf Sie zu noch von Ihnen weg, wenn sich die Erde dreht.

Stellen Sie sich nun die gleiche Situation für einen Braunen Zwerg vor. Wenn sich ein heller Fleck in Sichtweite dreht, hängt die Art und Weise, wie er sich direkt auf Sie zu oder von Ihnen weg bewegt, vom Breitengrad ab, während der Zeitpunkt, zu dem er sich in und aus dem Sichtfeld dreht, seinen Längengrad definiert. Und während Astronomen die Spot- und Aposs-Bewegungen nicht direkt verfolgen können, gibt es die sogenannte Doppler-Verschiebung: Licht ändert seine Wellenlänge sehr geringfügig, je nachdem, ob und wie schnell sich das emittierende Objekt auf den Beobachter zu- oder von ihm wegbewegt. Durch die Kombination der Doppler-Verschiebungsmuster, die auf den Breitengrad hinweisen, mit dem Timing, das Informationen über den Längengrad enthält, können die Astronomen versuchen, das Oberflächenmuster des Braunen Zwergs zu rekonstruieren. Die Rekonstruktion ist mit einigen Mehrdeutigkeiten und Unsicherheiten verbunden, aber das hier gezeigte Ergebnis ist die wahrscheinlichste Oberflächenstruktur, die aus den vielen Doppler-Messungen von Crossfield et al.

Die Variabilitätsmessungen von Biller et al. wurden gleichzeitig in sieben Wellenlängenbereichen (Filterbänder) hergestellt. Die Emission bei diesen unterschiedlichen Wellenlängen korreliert direkt mit der Temperatur des emittierenden Gases, und höchstwahrscheinlich repräsentieren die unterschiedlichen Wellenlängen Schichten in unterschiedlichen Tiefen der Braunen Zwergatmosphäre. Die Beobachtungen ermöglichen es den Forschern somit, verschiedene Tiefen der Atmosphäre zu untersuchen und ein komplexes Muster zu enthüllen.


Wolkenbänder wirbeln über die Oberfläche des Braunen Zwergs

Astronomen haben scheinbar Wolkenbänder entdeckt, die über die Oberfläche eines kühlen sternähnlichen Körpers, der als Brauner Zwerg bekannt ist, streifen. Die Bänder, die denen ähneln, die die Oberfläche des Jupiter streifen, wurden mithilfe der Polarimetrie entdeckt, einer Technik, die auf die gleiche Weise funktioniert, wie polarisierte Sonnenbrillen das grelle Sonnenlicht abblocken.

"Ich denke oft an polarimetrische Instrumente wie die polarisierte Sonnenbrille eines Astronomen", sagt Maxwell Millar-Blanchaer, ein Robert A. Millikan Postdoctoral Scholar in Astronomy am Caltech. "Aber anstatt zu versuchen, diese Blendung auszublenden, versuchen wir, sie zu messen." Millar-Blanchaer ist Hauptautor einer neuen Studie zu den Ergebnissen, die zur Veröffentlichung angenommen wurde in Das Astrophysikalische Journal. Die Beobachtungen wurden mit dem Very Large Telescope (VLT) der Europäischen Südsternwarte in Chile gemacht.

Während bereits früher Beweise für Wolkenbänder auf Braunen Zwergen gefunden wurden, ist diese Entdeckung das erste Mal, dass diese Merkmale mit der Polarimetrietechnik abgeleitet wurden.

"Polarimetrie erhält in der Astronomie neue Aufmerksamkeit", sagt Dimitri Mawet, Professor für Astronomie am Caltech und leitender Forscher am Jet Propulsion Laboratory, das von Caltech für die NASA geleitet wird. "Polarimetrie ist eine sehr schwierige Kunst, aber neue Techniken und Datenanalysemethoden machen sie präziser und empfindlicher als je zuvor und ermöglichen bahnbrechende Studien über alles, von weit entfernten supermassiven Schwarzen Löchern, neugeborenen und sterbenden Sternen, Braunen Zwergen und Exoplaneten bis ganz nach unteno zu Objekten in unserem eigenen Sonnensystem."

Der Braune Zwerg in der neuen Studie, genannt Luhman 16A, ist Teil eines Paares, das zusammen das unserem Sonnensystem am nächsten bekannte binäre Braune Zwergsystem darstellt, das in einer Entfernung von 6,5 Lichtjahren liegt. Jede Kugel wurde 2013 vom Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) der NASA entdeckt und wiegt etwa das 30-fache der Masse des Jupiter. Braune Zwerge bilden sich ähnlich wie Sterne aus kollabierenden Gaswolken, aber ihnen fehlt die Masse, um sich letztendlich zu entzünden und mit Sternenlicht zu leuchten.

Frühere Beobachtungen mit dem Spitzer-Weltraumteleskop der NASA ergaben, dass drei andere Braune Zwerge Anzeichen von Wolkenstreifenbildung aufwiesen, und frühere Studien des Partners Brauner Zwerg von Luhman 16A, genannt Luhman 16B, haben auf das Vorhandensein großer Wolkenflecken geschlossen. Aber alle diese vorherigen Messungen untersuchten, wie sich die Helligkeit der Objekte im Laufe der Zeit änderte, und maßen kein polarisiertes Licht. In der neuen Studie wurde das NaCo-Instrument des VLT verwendet, um polarisiertes Licht von beiden Braunen Zwergen von Luhman zu untersuchen.

„Polarimetrie ist die einzige Technik, die derzeit in der Lage ist, Bänder zu erkennen, deren Helligkeit im Laufe der Zeit nicht schwankt“, sagt Millar-Blanchaer. „Dies war der Schlüssel zum Auffinden der Wolkenbänder auf Luhman 16A, auf denen die Bänder nicht zu variieren scheinen.“

Die Forscher erklären, dass, obwohl sie den Braunen Zwerg selbst nicht abbilden können, ihre Messung der Menge des von ihm ausgehenden polarisierten Lichts es ihnen ermöglicht, durch ausgeklügelte atmosphärische Modellierung auf das Vorhandensein von Wolkenbändern zu schließen. Ihre Beobachtungen erlauben es ihnen nicht genau anzugeben, um wie viele Wolkenbänder sich auf Luhman 16A drehen, aber nach ihren Modellen könnte die Antwort zwei sein.

Ihre Modelle zeigen auch, dass die Wolkenflecken stürmisches Wetter ähnlich dem auf Jupiter haben würden.

„Wir glauben, dass diese Stürme Dinge wie Silikate oder Ammoniak regnen können. Eigentlich ist es ziemlich schreckliches Wetter“, sagt Co-Autor Julien Girard vom Space Telescope Science Institute.

In Zukunft hofft das Team, diese Arbeit auf Messungen von Planeten um andere Sterne, sogenannte Exoplaneten, auszudehnen.

"Die Polarimetrie reagiert sehr empfindlich auf Wolkeneigenschaften, sowohl bei Braunen Zwergen als auch bei Exoplaneten", sagt Millar-Blanchaer. "Dies ist das erste Mal, dass es wirklich genutzt wird, um Wolkeneigenschaften außerhalb des Sonnensystems zu verstehen."

Mit boden- und weltraumgestützten Teleskopen der nächsten Generation kann dieselbe Methode auch verwendet werden, um Exoplaneten zu untersuchen, die das Potenzial haben, Leben zu beherbergen. Die Polarimetrie sei nicht nur sehr empfindlich gegenüber atmosphärischen Eigenschaften, sagt Millar-Blanchaer, sondern auch auf die Art der Oberfläche eines Planeten, so dass sie eines Tages verwendet werden könnte, um flüssiges Oberflächenwasser zu entdecken, ein Zeichen für Bewohnbarkeit.

Die Studie mit dem Titel "Erkennung der Polarisation aufgrund von Wolkenbändern im nahegelegenen Braunen Zwerg Luhman 16" wurde von der National Science Foundation, der NASA und dem Europäischen Forschungsrat finanziert.


Maunakea-Teleskope bestätigen ersten durch Radiobeobachtungen entdeckten Braunen Zwerg

Eine Zusammenarbeit zwischen dem LOw Frequency ARray (LOFAR) Radioteleskop in Europa, dem Gemini North Teleskop und der NASA InfraRed Telescope Facility (IRTF), beide auf Maunakea in Hawaii, hat zur ersten direkten Entdeckung eines kalten Braunen Zwergs geführt aus seiner Radiowellenlängen-Emission. Dieses Ergebnis ebnet nicht nur den Weg für zukünftige Entdeckungen des Braunen Zwergs, sondern ist ein wichtiger Schritt zur Anwendung der Radioastronomie auf das spannende Gebiet der Exoplaneten.

Zum ersten Mal haben Astronomen Beobachtungen des LOFAR-Radioteleskops, des NASA IRTF, das von der University of Hawai‘i betrieben wird, und des internationalen Gemini-Observatoriums, einem Programm des NOIRLab der NSF, genutzt, um einen kalten Braunen Zwerg zu entdecken und zu charakterisieren. Das Objekt mit der Bezeichnung BDR J1750+3809 ist das erste substellare Objekt, das durch Radiobeobachtungen entdeckt wurde – bisher wurden Braune Zwerge in großen Infrarot- und optischen Durchmusterungen entdeckt. Die direkte Entdeckung dieser Objekte mit empfindlichen Radioteleskopen wie LOFAR ist ein bedeutender Durchbruch, denn es zeigt, dass Astronomen Objekte erkennen können, die zu kalt und schwach sind, um in bestehenden Infrarot-Durchmusterungen gefunden zu werden – vielleicht sogar große frei schwebende Exoplaneten.

Bei dieser Entdeckung war Gemini besonders wichtig, da es das Objekt als Braunen Zwerg identifizierte und uns auch einen Hinweis auf die Temperatur des Objekts gab.“ erklärte Hauptautor Harish Vedantham von ASTRON, dem Niederländischen Institut für Radioastronomie. “Die Gemini-Beobachtungen sagten uns, dass das Objekt kalt genug war, um Methan in seiner Atmosphäre zu bilden – was uns zeigt, dass das Objekt ein enger Verwandter von Planeten des Sonnensystems wie Jupiter ist.

Braune Zwerge sind substellare Objekte, die die Grenze zwischen den größten Planeten und den kleinsten Sternen überspannen [1]. Gelegentlich als gescheiterte Sterne bezeichnet, fehlt Braunen Zwergen die Masse, um die Wasserstofffusion in ihren Kernen auszulösen, und leuchten stattdessen bei Infrarotwellenlängen mit Restwärme ihrer Bildung. Während ihnen die Fusionsreaktionen fehlen, die unsere Sonne zum Leuchten bringen, können Braune Zwerge Licht bei Radiowellenlängen aussenden. Der zugrunde liegende Prozess, der diese Radioemission antreibt, ist bekannt, da sie auf dem größten Planeten des Sonnensystems auftritt. Das starke Magnetfeld des Jupiter beschleunigt geladene Teilchen wie Elektronen, die wiederum Strahlung erzeugen – in diesem Fall Radiowellen [2] und Polarlichter.

Die Tatsache, dass Braune Zwerge Radiosender sind, ermöglichte der internationalen Zusammenarbeit von Astronomen hinter diesem Ergebnis, eine neuartige Beobachtungsstrategie zu entwickeln. Radioemissionen wurden bisher nur von einer Handvoll kalter Brauner Zwerge entdeckt – und sie waren bekannt und durch Infrarot-Durchmusterungen katalogisiert, bevor sie mit Radioteleskopen beobachtet wurden. Das Team beschloss, diese Strategie umzukehren, indem es ein empfindliches Radioteleskop verwendet, um kalte, schwache Quellen zu entdecken und anschließend Infrarotbeobachtungen mit einem großen Teleskop wie dem 8-Meter-Gemini-Nordteleskop durchzuführen, um sie zu kategorisieren.

Wir fragten uns: „Warum richten wir unser Radioteleskop auf katalogisierte Braune Zwerge?“,“ sagte Vedantham. “Machen wir einfach ein großes Bild vom Himmel und entdecken diese Objekte direkt im Radio.

Nachdem das Team bei seinen Beobachtungen eine Vielzahl verräterischer Radiosignaturen gefunden hatte, musste es potenziell interessante Quellen von Hintergrundgalaxien unterscheiden. Dazu suchten sie nach einer speziellen Form von zirkular polarisiertem Licht [3] – einer Eigenschaft des Lichts von Sternen, Planeten und Braunen Zwergen, aber nicht von Hintergrundgalaxien. Nachdem das Team eine zirkular polarisierte Radioquelle gefunden hatte, wandte sich das Team an Teleskope wie Gemini North und das NASA IRTF, um die erforderlichen Messungen zur Identifizierung ihrer Entdeckung bereitzustellen.

Gemini North ist mit einer Vielzahl von Infrarot-Instrumenten ausgestattet, von denen normalerweise eines zur Beobachtung bereitgehalten wird, wenn sich eine interessante astronomische Gelegenheit ergibt. Im Fall von BDR J1750+3809 war Geminis wichtigster Infrarot-Imager, der Near InfraRed Imager and Spectrograph (NIRI) nicht verfügbar – daher wagten die Gemini-Astronomen den ungewöhnlichen Schritt, die Aufnahmekamera für den Gemini Near-Infrared Spectrograph (GNIRS) zu verwenden. stattdessen. Dank der sorgfältigen Arbeit und der Voraussicht der Mitarbeiter von Gemini lieferte diese Kamera tiefe, scharfe und genaue Bilder bei mehreren Infrarotwellenlängen.

Diese Beobachtungen unterstreichen wirklich die Vielseitigkeit von Gemini und insbesondere die wenig genutzte „Schlüsselloch“-Bildgebungsfähigkeit des GNIRS-Spektrographen von Gemini.“ kommentierte der Astronom Trent Dupuy vom Gemini Observatory und der University of Edinburgh – ein Co-Autor des Forschungspapiers. Die Gemini North-Beobachtungen wurden über Director's Discretionary Time erhalten, das Programmen vorbehalten ist, die wenig Beobachtungszeit mit potenziell großen Auswirkungen benötigen.

Diese Beobachtung zeigt sowohl die Flexibilität als auch die Leistungsfähigkeit der Gemini-Observatorien“, sagte Martin Still von der National Science Foundation (NSF). “Dies war eine Gelegenheit, bei der das Design und der Betrieb von Gemini es einer innovativen Idee ermöglichten, sich zu einer bedeutenden Entdeckung zu entwickeln.

Die Entdeckung von BDR J1750+3809 ist nicht nur ein spannendes Ergebnis, sondern könnte auch einen verlockenden Einblick in eine Zukunft geben, in der Astronomen die Eigenschaften der Magnetfelder von Exoplaneten messen können. Kalte Braune Zwerge sind Exoplaneten am nächsten, die Astronomen derzeit mit Radioteleskopen entdecken können, und diese Entdeckung könnte verwendet werden, um Theorien zu testen, die die Magnetfeldstärke von Exoplaneten vorhersagen. Magnetfelder sind ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der atmosphärischen Eigenschaften und der langfristigen Entwicklung von Exoplaneten.

Unser ultimatives Ziel ist es, den Magnetismus in Exoplaneten zu verstehen und zu verstehen, wie er ihre Fähigkeit, Leben zu beherbergen, beeinflusst.“, schloss Vedantham. “Da die magnetischen Phänomene kalter Brauner Zwerge dem auf Planeten des Sonnensystems so ähnlich sind, erwarten wir, dass unsere Arbeit wichtige Daten liefert, um theoretische Modelle zu testen, die die Magnetfelder von Exoplaneten vorhersagen.

Anmerkungen

[1] Die erste eindeutige Beobachtung eines Braunen Zwergs erfolgte erst 1995, nach mehr als 30 Jahren theoretischer Vorhersagen. Der Name dieser Objekte wurde von der amerikanischen Astronomin Jill Tarter in Anlehnung an ihre erwartete Farbe geprägt.

[2] Die Strahlung, die durch die Beschleunigung geladener Teilchen in einem Magnetfeld emittiert wird, wird als Zyklotronstrahlung bezeichnet. Der Name leitet sich vom Zyklotron ab, einer frühen Art von Teilchenbeschleunigern.

[3] Zirkular polarisiertes Licht wird auch verwendet, um 3D-Filme zu erstellen.

Mehr Informationen

Diese Forschung wurde in der Arbeit vorgestellt Direkte Funkentdeckung eines kalten Braunen Zwergs erscheinen in Die Briefe des Astrophysikalischen Journals.

Das Team besteht aus HK Vedantham (ASTRON und University of Groningen), JR Callingham (Leiden Observatory und ASTRON), TW Shimwell (ASTRON und Leiden Observatory), T. Dupuy (University of Edinburgh and Gemini Observatory/NSF's NOIRLab), William MJ Best (University of Texas und Gastastronom am NASA IRTF, Michael C. Liu (University of Hawai'i und Gastastronom am NASA IRTF), Zhoujian Zhang (University of Hawai'i), K. De (California Institute of Technology .) ), L. Lamy (LESIA, Observatoire de Paris), P. Zarka (LESIA, Observatoire de Paris), HJA Röttgering (Leidener Sternwarte) und A. Shulevski (Leidener Sternwarte).

Das NOIRLab (National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory) der NSF, das US-amerikanische Zentrum für bodengestützte optische Infrarot-Astronomie, betreibt das internationale Gemini-Observatorium (eine Einrichtung von NSF, NRC-Kanada, ANID-Chile, MCTIC-Brasilien, MINCyT-Argentinien). , und KASI-Republic of Korea), Kitt Peak National Observatory (KPNO), Cerro Tololo Inter-American Observatory (CTIO), Community Science and Data Center (CSDC) und Vera C. Rubin Observatory (in Zusammenarbeit mit SLAC National . des DOE). Beschleunigerlabor). Es wird von der Association of Universities for Research in Astronomy (AURA) im Rahmen einer Kooperationsvereinbarung mit NSF verwaltet und hat seinen Hauptsitz in Tucson, Arizona. Die astronomische Gemeinschaft fühlt sich geehrt, die Möglichkeit zu haben, astronomische Forschungen am Iolkam Du’ag (Kitt Peak) in Arizona, am Maunakea in Hawaii und am Cerro Tololo und Cerro Pachón in Chile durchzuführen. Wir erkennen und anerkennen die sehr bedeutende kulturelle Rolle und Verehrung, die diese Stätten der Tohono O'odham Nation, der hawaiianischen Ureinwohnergemeinschaft bzw. den lokalen Gemeinschaften in Chile entgegenbringen.


Ein Team von Astronomen hat entdeckt, dass der nächste bekannte Braune Zwerg, Luhman 16A, Anzeichen von Wolkenbändern aufweist, die denen auf Jupiter und Saturn ähneln. Dies ist das erste Mal, dass Wissenschaftler die Technik der Polarimetrie verwenden, um die Eigenschaften von atmosphärischen Wolken außerhalb des Sonnensystems oder Exowolken zu bestimmen.

Braune Zwerge sind Objekte, die schwerer als Planeten, aber leichter als Sterne sind und typischerweise die 13- bis 80-fache Masse von Jupiter haben. Luhman 16A ist Teil eines binären Systems, das einen zweiten Braunen Zwerg enthält, Luhman 16B. Mit einer Entfernung von 6,5 Lichtjahren ist es nach Alpha Centauri und Barnards Stern das drittnächste System unserer Sonne. Beide Braunen Zwerge wiegen etwa 30-mal so viel wie Jupiter.

Trotz der Tatsache, dass Luhman 16A und 16B ähnliche Massen und Temperaturen (etwa 1.900 ° F oder 1.000 ° C) haben und vermutlich gleichzeitig gebildet wurden, zeigen sie deutlich unterschiedliche Wetterbedingungen. Luhman 16B zeigt keine Anzeichen von stationären Wolkenbändern, sondern Hinweise auf unregelmäßigere, fleckige Wolken. 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 Das Astrophysikalische 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 und 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 Das Astrophysikalische Journal. The team describes the work in the video below.