Hur små är de minsta himlaobjekt som bildas som stjärnor, men producerar inte sitt eget ljus? Hur vanliga är de jämfört med fullfjädrade stjärnor? Vad sägs om "skurkplaneter, "som bildades runt stjärnor innan de kastades in i det interstellära rymden? När NASA:s rymdteleskop James Webb lanseras 2021, det kommer att belysa dessa frågor.

Att svara på dem kommer att sätta en gräns mellan objekt som formar som stjärnor, som föds ur gravitationsmässigt kollapsande moln av gas och damm, och de som formar sig som planeter, som skapas när gas och damm klumpar ihop sig i en skiva runt en ung stjärna. Det kommer också att skilja mellan konkurrerande idéer om ursprunget till bruna dvärgar, föremål med massor mellan 1 % och 8 % av solen som inte kan upprätthålla vätefusion i sina kärnor.

I en studie ledd av Aleks Scholz vid University of St Andrews i Storbritannien, forskare kommer att använda Webb för att upptäcka den minsta, svagaste invånarna i en närliggande stellar plantskola som heter NGC 1333. Beläget cirka 1, 000 ljusår bort i stjärnbilden Perseus, stjärnhopen NGC 1333 är ganska nära i astronomiska termer. Den är också väldigt kompakt och innehåller många unga stjärnor. Dessa tre faktorer gör det till en idealisk plats att studera stjärnbildning i aktion, speciellt för dem som är intresserade av mycket svaga, fritt flytande föremål.

"De minst massiva bruna dvärgarna som identifierats hittills är bara fem till tio gånger kraftigare än planeten Jupiter, ", förklarade Scholz. "Vi vet ännu inte om objekt med lägre massa bildas i stellar plantskolor. med Webb, vi förväntar oss att identifiera klustermedlemmar lika ynkliga som Jupiter för första gången någonsin. Deras antal i förhållande till kraftigare bruna dvärgar och stjärnor kommer att kasta ljus över deras ursprung och också ge oss viktiga ledtrådar om stjärnbildningsprocessen mer allmänt."

En luddig gräns

Föremål med mycket låg massa är coola, vilket innebär att de avger det mesta av sitt ljus i infraröda våglängder. Att observera infrarött ljus från markbaserade teleskop är utmanande på grund av störningar från jordens atmosfär. På grund av dess stora storlek och förmåga att se infrarött ljus med oöverträffad känslighet, Webb är idealiskt lämpad för att hitta och karakterisera unga fritt flytande föremål med massor under fem Jupiters.

Skillnaden mellan bruna dvärgar och jätteplaneter är suddig.

"Det finns några föremål med massor under 10-Jupiter-märket som svävar fritt genom klustret. Eftersom de inte kretsar kring någon speciell stjärna, vi kan kalla dem bruna dvärgar, eller objekt med planetmassa, eftersom vi inte vet bättre, " sa teammedlemmen Koraljka Muzic från universitetet i Lissabon i Portugal. "Å andra sidan, vissa massiva jätteplaneter kan ha fusionsreaktioner. Och några bruna dvärgar kan bildas i en skiva."

Det finns också frågan om "skurkplaneter" - föremål som formar sig som planeter och sedan kastas ut från sina solsystem. Dessa fritt svävande kroppar är dömda att vandra mellan stjärnorna för alltid.

Dussintals på en gång

Teamet kommer att använda Webbs Near Infrared Imager och Slitless Spectrograph (NIRISS) för att studera dessa olika lågmassaobjekt. En spektrograf bryter ljuset från en enda källa i dess komponentfärger på samma sätt som ett prisma delar vitt ljus till en regnbåge. Det ljuset bär fingeravtryck som produceras när material avger eller interagerar med ljus. Spektrografer tillåter forskare att analysera dessa fingeravtryck och upptäcka egenskaper som temperatur och sammansättning.

NIRISS kommer att ge teamet samtidig information för dussintals objekt. "Det är nyckeln. För en entydig bekräftelse på en brun dvärg eller skurkplanet måste vi se absorptionssignaturerna för molekyler - främst vatten och metan - i spektra, " förklarade teammedlemmen Ray Jayawardhana från Cornell University. "Spektroskopi är tidskrävande, och att kunna observera många objekt samtidigt hjälper enormt. Alternativet är att ta bilder först, mäta färger, välja ut kandidater, och gå sedan och ta spektra, som kommer att ta mycket mer tid och förlitar sig på fler antaganden."