Teleskop Jamesa Webba wykrył w obszarze formowania gwiazd IC 348 brązowe karły o masie zaledwie dwóch mas Jowisza. To najmniej masywne obiekty tego typu znane astronomom. Ich istnienie jest ważne nie tylko jako rekord obserwacyjny: wskazuje, że proces zapadania się obłoków gazu może prowadzić do powstania obiektów znacznie lżejszych, niż przewidywały dotychczasowe modele formowania gwiazd.
IC 348: laboratorium narodzin gwiazd
IC 348 znajduje się około 1000 lat świetlnych od Ziemi, w gwiazdozbiorze Perseusza. Jest obszarem, w którym zimne obłoki molekularnego wodoru zapadają się pod wpływem grawitacji. W takich obłokach powstają młode gwiazdy, ale proces ten może tworzyć obiekty o bardzo różnych rozmiarach i masach — od gwiazd masywnych, kończących życie po kilku milionach lat w eksplozjach supernowych, po najmniejsze gwiazdy, które mogą istnieć znacznie dłużej.
Najmniejsze zwykłe gwiazdy mają około 8 proc. masy Słońca. Poniżej tej granicy znajdują się brązowe karły. Ich pochodzenie łączy je z gwiazdami, ponieważ również powstają w wyniku zapadania się obłoków molekularnych. Różnica pojawia się w ich wnętrzach: brązowe karły nie osiągają temperatury wystarczającej do rozpoczęcia trwałej fuzji zwykłego wodoru w hel. Nie mogą więc zasilać się w taki sposób jak gwiazdy. We wczesnym etapie życia część z nich może przez krótki czas prowadzić fuzję deuteru, czyli ciężkiej odmiany wodoru, ale nie jest to trwały proces charakterystyczny dla gwiazd.
Ta definicja wyjaśnia, dlaczego brązowe karły zajmują szczególne miejsce między gwiazdami a planetami. Powstają jak gwiazdy, lecz nie osiągają warunków potrzebnych do podtrzymywania gwiazdowej fuzji. Ich masa może być zbliżona do masy planet, jednak o ich klasyfikacji decyduje także sposób powstania, a nie wyłącznie rozmiar.
Co dokładnie zrobił Webb
Zespół badawczy najpierw wykorzystał kamerę NIRCam, czyli Near-Infrared Camera, do obserwacji IC 348 w 2024 roku. Instrument zarejestrował w podczerwieni ciepły blask młodych brązowych karłów i nowo narodzonych gwiazd. Na podstawie barwy oraz jasności naukowcy wybrali obiekty będące kandydatami na brązowe karły.
Samo zdjęcie nie wystarcza jednak do dokładnego określenia natury i masy tak słabych obiektów. Dlatego w 2025 roku kandydatów zbadano za pomocą NIRSpec, czyli spektrografu pracującego w bliskiej podczerwieni. Analiza widm pozwoliła zbadać właściwości obiektów i oszacować ich masy. W tym podejściu obraz służy do znalezienia interesujących celów, a spektroskopia dostarcza informacji o ich fizycznej naturze.
Była to kolejna obserwacja tego samego obszaru. W 2022 roku zespół znalazł w IC 348 brązowe karły o masie od trzech do czterech mas Jowisza. Nowsze, głębsze obserwacje przesunęły granicę znacznie niżej: wykazały obiekty o masie zaledwie dwóch mas Jowisza, czyli około 0,19 proc. masy Słońca.
Dlaczego rekordowo mała masa jest problemem dla modeli
Modele formowania gwiazd opisują, w jaki sposób obłok gazu może kurczyć się pod wpływem własnej grawitacji i tworzyć obiekt o określonej masie. Odkrycie w IC 348 pokazuje, że ten proces może prowadzić do powstania brązowych karłów lżejszych niż wcześniej znane. Są to najmniej masywne brązowe karły zidentyfikowane dotąd przez astronomów.
Nie oznacza to, że sam mechanizm jest nieznany. Wiadomo, że zarówno gwiazdy, jak i brązowe karły powstają w wyniku zapadania się obłoków molekularnego wodoru. Wyzwaniem jest określenie, jak daleko może zajść ten proces i jaka jest minimalna masa obiektu, który powstaje w ten sposób. Nowe obserwacje dostarczają danych dla tej granicy. Skoro obiekty o masie dwóch mas Jowisza mogą powstać jako brązowe karły, modele muszą uwzględniać możliwość tworzenia takich wyjątkowo lekkich obiektów.
Odkrycie nie rozstrzyga jeszcze, dlaczego te obiekty powstały ani czy podobnie małe brązowe karły są powszechne w innych obszarach formowania gwiazd. Program obserwacyjny obejmuje także badanie tego, jak populacje obiektów o masie planetarnej różnią się między regionami, w których powstają gwiazdy. IC 348 jest więc nie tylko miejscem znalezienia rekordu, lecz także punktem odniesienia do dalszych porównań.
Dysk wokół obiektu o masie planetarnej
Jedna z najlżejszych nowo odkrytych struktur wykazuje oznaki dysku. Dyski są skupiskami materii otaczającymi młode obiekty. W przypadku tego brązowego karła ich obecność sugeruje, że wokół niego mogą formować się małe planety — mimo że sam centralny obiekt ma masę porównywalną z masą planetarną.
To ważne rozróżnienie. Obiekt w centrum nie jest planetą tylko dlatego, że ma niewielką masę. Brązowy karzeł powstał w wyniku zapadania się obłoku molekularnego, a planeta miałaby tworzyć się w dysku wokół większego ciała. Obserwacja dysku wskazuje zatem na możliwość występowania układów planetarnych wokół obiektów, które same znajdują się na granicy między brązowym karłem a obiektem o masie planetarnej. Źródła nie przesądzają jednak, że planety rzeczywiście już tam powstają; mówią o oznakach dysku i wynikającej z nich możliwości.
Ślady w widmie i dodatkowe obiekty na obrazie
Widma brązowych karłów z IC 348 zawierają także cechę przypisaną nieokreślonemu węglowodorowi, czyli cząsteczce zbudowanej wyłącznie z atomów wodoru i węgla. Podobny szczegół obserwowano dotąd w atmosferach brązowych karłów o najniższych masach. Może to oznaczać, że skrajnie lekkie obiekty tworzą odrębną klasę widmową, ale pochodzenie tej cechy nadal jest przedmiotem badań.
Panorama IC 348 pokazuje więcej niż same brązowe karły. W jej górnej prawej części znajdują się protogwiazdy, czyli bardzo młode obiekty będące na etapie formowania. Towarzyszą im obiekty Herbiga-Haro — świecące obszary powstające wtedy, gdy strumienie materii wyrzucane przez młode gwiazdy zderzają się z otaczającym gazem i pyłem.
Jednym z nich jest HH 797, długa, wąska struktura, która po dokładniejszym zbadaniu okazuje się związana z dwiema protogwiazdami i niemal równoległymi wypływami materii. W pobliżu znajduje się HH 211, obiekt o kształcie przypominającym śmigło, z wąskimi dżetami i szerszymi wypływami. Razem z protogwiazdami i brązowymi karłami tworzą obraz regionu, w którym jednocześnie zachodzą różne etapy formowania młodych obiektów.
Obserwacje IC 348 pokazują więc, że granica między gwiazdą, brązowym karłem i obiektem o masie planetarnej nie jest prostą skalą rozmiarów. Kluczowe są zarówno masa, jak i sposób powstania oraz zdolność do prowadzenia trwałej fuzji wodoru. Webb dostarczył dowodów, że proces gwiazdotwórczy może tworzyć brązowe karły o masie zaledwie dwóch Jowiszów, a ich dyski i widma mogą ujawnić jeszcze niepoznane szczegóły narodzin najmniejszych obiektów tego rodzaju.