Bruna dvärgar är den kosmiska motsvarigheten till tweeners. De är för massiva för att vara planeter och för små för att upprätthålla kärnfusion i sina kärnor, som driver stjärnor. Många bruna dvärgar är nomader. De kretsar inte runt stjärnor utan driver bland dem som ensamvargar.

Astronomer skulle vilja veta hur dessa egensinniga föremål är sammansatta. Delar de någon form av släktskap med uppsvällda gasjätteplaneter som Jupiter? Att studera bruna dvärgar är mycket svårare än att studera Jupiter i närheten för att göra jämförelser. Vi kan skicka rymdfarkoster till Jupiter. Men astronomer måste se över många ljusår för att titta ner i en brun dvärgs atmosfär.

Forskare använde det gigantiska W. M. Keck-observatoriet på Hawaii för att observera en närliggande brun dvärg i infrarött ljus. Till skillnad från Jupiter, den unga bruna dvärgen är fortfarande så varm att den lyser inifrån och ut, och ser ut som en snidad Halloween-pumpa. Eftersom den bruna dvärgen har spridda moln, ljuset som lyser upp djupt ner i dvärgens atmosfär fluktuerar, som forskarna mätte. De fann att dvärgens atmosfär har en lagerkakastruktur med moln med olika sammansättning på olika höjder.

Jupiter kan vara mobbare planeten i vårt solsystem eftersom det är den mest massiva planeten. Men det är faktiskt en knäpp jämfört med många av de gigantiska planeterna som finns runt andra stjärnor.

Dessa främmande världar, kallas super-Jupiters, väger upp till 13 gånger Jupiters massa. Astronomer har analyserat sammansättningen av några av dessa monster. Men det har varit svårt att studera deras atmosfärer i detalj eftersom dessa gasjättar går vilse i bländningen från sina moderstjärnor.

Forskare, dock, har ett substitut:atmosfären hos bruna dvärgar, så kallade misslyckade stjärnor som är upp till 80 gånger Jupiters massa. Dessa rejäla föremål bildas ur ett kollapsande gasmoln, som stjärnor gör, men saknar massan för att bli tillräckligt varm för att upprätthålla kärnfusion i sina kärnor, som driver stjärnor.

Istället, bruna dvärgar delar släktskap med super-Jupiters. Båda typerna av föremål har liknande temperaturer och är extremt massiva. De har också komplexa, varierande atmosfärer. Den enda skillnaden, astronomer tror, är deras stamtavla. Super-Jupiters bildas runt stjärnor; bruna dvärgar bildas ofta isolerade.

Ett team av astronomer, ledd av Elena Manjavacas från Space Telescope Science Institute i Baltimore, Maryland, har testat ett nytt sätt att titta igenom molnskikten av dessa nomadobjekt. Forskarna använde ett instrument vid W. M. Keck-observatoriet på Hawaii för att i nära-infrarött ljus studera färgerna och ljusstyrkan hos molnstrukturen i den närliggande, fritt flytande brun dvärg känd som 2MASS J22081363+2921215.

Keck Observatory instrument, kallas Multi-Object Spectrograph for Infrared Exploration (MOSFIRE), analyserade också de spektrala fingeravtrycken av olika kemiska grundämnen som finns i molnen och hur de förändras med tiden. Det är första gången astronomer har använt MOSFIRE-instrumentet i den här typen av studier.

Dessa mätningar erbjöd Manjavacas en holistisk bild av den bruna dvärgens atmosfäriska moln, ger mer detaljer än tidigare observationer av detta objekt. Banbrytande av Hubble-observationer, denna teknik är svår för markbaserade teleskop att göra på grund av kontaminering från jordens atmosfär, som absorberar vissa infraröda våglängder. Denna absorptionshastighet ändras på grund av vädret.

"Det enda sättet att göra detta från marken är att använda det högupplösta MOSFIRE-instrumentet eftersom det tillåter oss att observera flera stjärnor samtidigt med vår bruna dvärg, ", förklarade Manjavacas. "Detta tillåter oss att korrigera för föroreningen som introduceras av jordens atmosfär och mäta den sanna signalen från den bruna dvärgen med god precision. Så, dessa observationer är ett bevis på att MOSFIRE kan göra dessa typer av studier av brun-dvärg-atmosfärer."

Manjavacas kommer att presentera sina resultat den 9 juni på en presskonferens vid American Astronomical Societys virtuella möte.

Forskaren bestämde sig för att studera just denna bruna dvärg eftersom den är väldigt ung och därför extremt ljus och inte har svalnat ännu. Dess massa och temperatur liknar dem hos den närliggande jätteexoplaneten Beta Pictoris b, upptäckte 2008 nära-infraröda bilder tagna av European Southern Observatorys Very Large Telescope i norra Chile.

"Vi har ännu inte förmågan att med nuvarande teknik analysera atmosfären i Beta Pictoris b i detalj. " sade Manjavacas. "Så, vi använder vår studie av den här bruna dvärgens atmosfär som en proxy för att få en uppfattning om hur exoplanetens moln kan se ut på olika höjder av dess atmosfär."

Både den bruna dvärgen och Beta Pictoris b är unga, så de utstrålar värme starkt i det nära-infraröda. De är båda medlemmar av en flock av stjärnor och substellära objekt som kallas Beta Pictoris-rörelsegruppen, som delar samma ursprung och en gemensam rörelse genom rymden. Gruppen, som är cirka 33 miljoner år gammal, är den närmaste gruppen unga stjärnor till jorden. Den ligger ungefär 115 ljusår bort.

Även om de är coolare än bona fide stjärnor, bruna dvärgar är fortfarande extremt varma. Den bruna dvärgen i Manjavacas studie är en fräsande 2, 780 grader Fahrenheit (1, 527 grader Celsius).

Det gigantiska föremålet är cirka 12 gånger tyngre än Jupiter. Som ung kropp, det snurrar otroligt fort, slutföra en rotation var 3,5:e timme, jämfört med Jupiters 10-timmars rotationsperiod. Så, molnen piskar den, skapa en dynamik, turbulent atmosfär.

Keck Observatorys MOSFIRE-instrument stirrade på den bruna dvärgen i 2,5 timmar, se hur ljuset som filtreras upp genom atmosfären från dvärgens varma inre ljusnar och dämpas med tiden. Ljusa fläckar som visas på det roterande föremålet indikerar regioner där forskare kan se djupare in i atmosfären, där det är varmare. Infraröda våglängder tillåter astronomer att titta djupare in i atmosfären. Observationerna tyder på att den bruna dvärgen har en fläckig atmosfär med spridda moln. Om man tittar på närbild, det kan likna en snidad Halloween-pumpa, med ljus som strömmar ut från dess varma inre.

Dess spektrum avslöjar moln av heta sandkorn och andra exotiska element. Kaliumjodid spårar föremålets övre atmosfär, som även inkluderar magnesiumsilikatmoln. Nedåt i atmosfären rör sig ett lager av natriumjodid och magnesiumsilikatmoln. Det sista lagret består av moln av aluminiumoxid. Atmosfärens totala djup är 446 miles (718 kilometer). De detekterade elementen representerar en typisk del av sammansättningen av bruna dvärgatmosfärer, sa Manjavacas.

Forskaren och hennes team använde datormodeller av brun dvärgatmosfär för att bestämma platsen för de kemiska föreningarna i varje molnlager.

Manjavacas plan är att använda Keck Observatorys MOSFIRE för att studera andra atmosfärer av bruna dvärgar och jämföra dem med gasjättarnas. Framtida teleskop som NASA:s James Webb Space Telescope, ett infrarött observatorium som planeras lanseras senare i år, kommer att ge ännu mer information om en brun dvärgs atmosfär. "JWST kommer att ge oss strukturen för hela atmosfären, ger mer täckning än något annat teleskop, " sa Manjavacas.

Forskaren hoppas att MOSFIRE kan användas tillsammans med JWST för att prova ett brett utbud av bruna dvärgar. Målet är en bättre förståelse för bruna dvärgar och jätteplaneter.