Tindra, tindra, liten stjärna, hur jag undrar vad du är. Astronomer är hoppfulla om att den kraftfulla infraröda förmågan hos NASA:s rymdteleskop James Webb kommer att lösa ett pussel som är lika grundläggande som att titta på stjärnan – vad ÄR det dunkla ljuset på himlen? Bruna dvärgar gör en tydlig skillnad mellan stjärnor och planeter, kasta etablerad förståelse för dessa kroppar, och teorier om deras bildande, ifrågasättas.

Flera forskarlag kommer att använda Webb för att utforska bruna dvärgars mystiska natur, söker insikt i både stjärnbildning och exoplanetatmosfärer, och det disiga territoriet däremellan där själva den bruna dvärgen finns. Tidigare arbete med Hubble, Spitzer, och ALMA har visat att bruna dvärgar kan vara upp till 70 gånger mer massiva än gasjättar som Jupiter, ändå har de inte tillräckligt med massa för att deras kärnor ska förbränna kärnbränsle och utstråla stjärnljus. Även om bruna dvärgar teoretiserades på 1960-talet och bekräftades 1995, det finns inte en accepterad förklaring av hur de bildas:som en stjärna, genom sammandragning av gas, eller som en planet, genom ansamling av material i en protoplanetarisk skiva? Vissa har ett sällskapsförhållande med en stjärna, medan andra driver ensamma i rymden.

Vid Université de Montréal, Étienne Artigau leder ett team som ska använda Webb för att studera en specifik brun dvärg, märkt SIMP0136. Det är en låg massa, ung, isolerad brun dvärg - en av de närmast vår sol - som alla gör den fascinerande för studier, eftersom den har många egenskaper hos en planet utan att vara för nära det bländande ljuset från en stjärna. SIMP0136 var föremål för ett tidigare vetenskapligt genombrott av Artigau och hans team, när de hittade bevis som tyder på att det har en grumlig atmosfär. Han och hans kollegor kommer att använda Webbs spektroskopiska instrument för att lära sig mer om de kemiska grundämnena och föreningarna i dessa moln.

"Mycket exakta spektroskopiska mätningar är utmanande att få från marken i det infraröda på grund av varierande absorption i vår egen atmosfär, därav behovet av rymdbaserad infraröd observation. Också, Webb låter oss undersöka funktioner, som vattenabsorption, som är oåtkomliga från marken vid denna precisionsnivå, " förklarar Artigau.

Dessa observationer kan lägga grunden för framtida exoplanetutforskning med Webb, inklusive vilka världar som kan stödja livet. Webbs infraröda instrument kommer att kunna detektera typerna av molekyler i exoplaneternas atmosfärer genom att se vilka element som absorberar ljus när planeten passerar framför sin stjärna, en vetenskaplig teknik som kallas transitspektroskopi.

"Den bruna dvärgen SIMP0136 har samma temperatur som olika planeter som kommer att observeras i transitspektroskopi med Webb, och moln är kända för att påverka denna typ av mätning; våra observationer kommer att hjälpa oss att bättre förstå molndäck i bruna dvärgar och planetatmosfärer i allmänhet, " säger Artigau.

Jakten på lågmassa, isolerade bruna dvärgar var ett av de tidiga vetenskapsmålen som lades fram för Webb-teleskopet på 1990-talet, säger astronomen Aleks Scholz vid University of St. Andrews. Bruna dvärgar har en lägre massa än stjärnor och "lyser" inte utan avger bara det svaga efterskenet från sin födelse, och så ses de bäst i infrarött ljus, Det är därför Webb kommer att vara ett så värdefullt verktyg i denna forskning.

Scholz, som också leder projektet Substellar Objects in Nearby Young Clusters (SONYC), kommer att använda Webbs Near-Infrared Imager och Slitless Spectrograph (NIRISS) för att studera NGC 1333 i konstellationen Perseus. NGC 1333 är en stellar plantskola som också har visat sig hysa ett ovanligt stort antal bruna dvärgar, några av dem i den mycket låga delen av massintervallet för sådana föremål - med andra ord, inte mycket tyngre än Jupiter.

"På mer än ett decennium av sökande, vårt team har funnit att det är mycket svårt att lokalisera bruna dvärgar som är mindre än fem Jupiter-massor - massan där stjärn- och planetbildningen överlappar varandra. Det är ett jobb för Webb-teleskopet, " säger Scholz. "Det har varit en lång väntan för Webb, men vi är väldigt glada över att få en möjlighet att bryta ny mark och potentiellt upptäcka en helt ny typ av planeter, obunden, strövar omkring i galaxen som stjärnor."

Båda projekten som leds av Scholz och Artigau använder sig av Guaranteed Time Observations (GTOs), observera tid på teleskopet som ges till astronomer som har arbetat i åratal för att förbereda Webbs vetenskapliga verksamhet.