Konstnärens föreställning om en brun dvärg och dess magnetfält. Det magnetiska fältet, rotade djupt i dess inre, roterar i en annan takt än toppen av atmosfären. Skillnaden gjorde det möjligt för astronomer att bestämma objektets vindhastighet. Kredit:Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF
Astronomer har använt National Science Foundations Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) och NASA:s Spitzer Space Telescope för att göra den första mätningen av vindhastigheten på en brun dvärg – ett objekt som ligger mellan en planet och en stjärna i massa.
Baserat på kända fakta om jätteplaneterna Jupiter och Saturnus i vårt eget solsystem, ett team av forskare ledda av Katelyn Allers från Bucknell University insåg att de möjligen kunde mäta en brun dvärgs vindhastighet genom att kombinera radioobservationer från VLA och infraröda observationer från Spitzer.
"När vi insåg detta, vi blev förvånade över att ingen annan redan hade gjort det, " sa Allers.
Astronomerna studerade en brun dvärg som heter 2MASS J10475385+2124234, ett föremål som är ungefär lika stort som Jupiter, men ungefär 40 gånger mer massiv, cirka 34 ljusår från jorden. Bruna dvärgar, kallas ibland "misslyckade stjärnor, "är mer massiva än planeter, men inte tillräckligt massiva för att orsaka de termonukleära reaktionerna i deras kärnor som driver stjärnor.
"Vi noterade att rotationsperioden för Jupiter som bestäms av radioobservationer skiljer sig från rotationsperioden som bestäms av observationer vid synliga och infraröda våglängder, " sa Allers.
Den skillnaden, hon förklarade, beror på att radioemissionen orsakas av elektroner som interagerar med planetens magnetfält, som är rotad djupt i planetens inre, medan den infraröda emissionen kommer från toppen av atmosfären. Atmosfären roterar snabbare än planetens inre, och motsvarande skillnad i hastigheter beror på atmosfäriska vindar.
Brun dvärg, vänster, och Jupiter, höger. Konstnärens uppfattning om brun dvärg illustrerar magnetfältet och atmosfärens topp, som observerades vid olika våglängder för att bestämma vindhastigheter. Kredit:Bill Saxton, NRAO/AUI/NSF
"Eftersom vi förväntar oss att samma mekanismer kommer att fungera i den bruna dvärgen, vi bestämde oss för att mäta dess rotationshastigheter med både radio- och infraröda teleskop, sa Johanna Vos, från American Museum of Natural History.
De observerade 2MASS J10475385+2124234 med Spitzer 2017 och 2018, och upptäckte att dess infraröda ljusstyrka varierade regelbundet, troligen på grund av rotationen av något långlivat inslag i dess övre atmosfär. Teamet gjorde VLA-observationer 2018 för att mäta rotationsperioden för objektets inre.
Precis som med Jupiter, de fann att den bruna dvärgens atmosfär roterar snabbare än dess inre, med en beräknad vindhastighet på cirka 1425 miles per timme. Detta är betydligt snabbare än Jupiters vindhastighet, cirka 230 mph.
"Detta överensstämmer med teorier och simuleringar som förutsäger högre vindhastigheter hos bruna dvärgar, " sa Allers.
Astronomerna sa att deras teknik kan användas för att mäta vindar inte bara på andra bruna dvärgar, men också på extrasolära planeter.
"Eftersom magnetfälten hos jättelika exoplaneter är svagare än bruna dvärgars, radiomätningarna kommer att behöva göras vid lägre frekvenser än de som används för 2MASS J10475385+2124234, sa Peter Williams från Center for Astrophysics, Harvard &Smithsonian, och American Astronomical Society.
"Vi är glada över att vår metod nu kan användas för att hjälpa oss att bättre förstå den atmosfäriska dynamiken hos bruna dvärgar och extrasolära planeter, " sa Allers.
Allers, Vos, och Williams, tillsammans med Beth Biller från University of Edinburgh, rapporterade sina fynd i tidskriften Vetenskap .
