För första gången, astronomer har använt observationer från ett radioteleskop och ett par observatorier på Maunakea för att upptäcka och karakterisera en kall brun dvärg, även känd som en "superplanet" eller "misslyckad stjärna". Upptäckten, betecknad BDR J1750+3809, är det första substellära objektet som upptäckts genom radioobservationer – hittills, bruna dvärgar har till stor del hittats från undersökningar av infraröd himmel.

BDR J1750+3809 (kallad "Elegast" av upptäcktsteamet) identifierades först med hjälp av data från Low-Frequency Array (LOFAR) teleskopet i Europa, och bekräftade sedan med hjälp av teleskop på toppen av Maunakea, nämligen International Gemini Observatory och NASA InfraRed Telescope Facility (som drivs av University of Hawai'i). Att direkt upptäcka dessa objekt med känsliga radioteleskop som LOFAR är ett betydande genombrott, eftersom det visar att astronomer kan upptäcka föremål som är för kalla och svaga för att kunna hittas i infraröda undersökningar, och kanske till och med upptäcka fritt svävande gasjättens exoplaneter.

Forskningen är publicerad i The Astrophysical Journal Letters . Astronomen Michael Liu och doktoranden Zhoujian Zhang vid UH Institute for Astronomy (IfA) var medförfattare till uppsatsen. "Detta arbete öppnar en helt ny metod för att hitta de kallaste föremålen som flyter i solens närhet, som annars skulle vara för svagt att upptäcka med de metoder som använts under de senaste 25 åren, " sa Liu.

Bruna dvärgar i ett nytt ljus

Bruna dvärgar går över gränsen mellan de största planeterna och de minsta stjärnorna. Ibland kallad "misslyckade stjärnor, "bruna dvärgar saknar massan för att utlösa vätefusion i sina kärnor, och istället lyser vid infraröda våglängder med överbliven värme från deras bildning. Även kallad "superplaneter, " Bruna dvärgar har gasatmosfärer som liknar gasjättens planeter i vårt solsystem mer än de liknar någon stjärna.

Medan bruna dvärgar saknar fusionsreaktionerna som får solen att skina, de kan avge ljus vid radiovåglängder. Den underliggande processen som driver denna radioemission är bekant, eftersom det också förekommer på den största planeten i solsystemet. Jupiters kraftfulla magnetfält accelererar laddade partiklar som elektroner, som i sin tur producerar strålning — i det här fallet radiovågor och norrsken.

Det faktum att bruna dvärgar är radiosändare gjorde det möjligt för det internationella samarbetet mellan astronomerna bakom detta resultat att utveckla en ny observationsstrategi. Radioutsläpp har tidigare upptäckts från endast en handfull kalla bruna dvärgar, som upptäcktes och katalogiserades genom infraröda undersökningar innan de observerades med radioteleskop. Teamet bestämde sig för att vända denna strategi, använda ett känsligt radioteleskop för att upptäcka kyla, svaga radiokällor och sedan utföra uppföljande infraröda observationer med Maunakea-teleskop för att kategorisera dem.

"Vi frågade oss själva, "Varför riktar vårt radioteleskop mot katalogiserade bruna dvärgar?" sa Harish Vedantham, huvudförfattare till studien och astronom vid ASTRON i Nederländerna. "Låt oss bara göra en stor bild av himlen och upptäcka dessa objekt direkt i radion."

Förutom att det är ett spännande resultat i sig, upptäckten av BDR J1750+3809 kan ge en lockande inblick i en framtid när astronomer kan mäta egenskaperna hos exoplaneternas magnetfält. Kalla bruna dvärgar är de saker som ligger närmast exoplaneter som astronomer för närvarande kan upptäcka med radioteleskop, och denna upptäckt skulle kunna användas för att testa teorier som förutsäger magnetfältstyrkan hos exoplaneter. Magnetiska fält är en viktig faktor för att bestämma atmosfärens egenskaper och långsiktiga utveckling av exoplaneter.

Teknik kan ge ytterligare resultat

Efter att ha hittat en mängd kontrollande radiosignaturer i sina observationer, teamet var tvungen att skilja potentiellt intressanta källor från bakgrundsgalaxer. Att göra så, de sökte efter en speciell form av radiovågor som var cirkulärt polariserade – en egenskap av ljus från stjärnor, planeter och bruna dvärgar, men inte från bakgrundsgalaxer. Efter att ha hittat en cirkulärt polariserad radiokälla, teamet vände sig sedan till arkivbilder, Gemini-North Telescope, och NASA IRTF för att tillhandahålla de mätningar som krävs för att identifiera deras upptäckt.

NASA IRTF är utrustad med en känslig spektrometer, SpeX, som har varit en arbetshäst för att studera bruna dvärgar under de senaste 20 åren, inklusive en uppgradering för fem år sedan finansierad av National Science Foundation. Teamet använde SpeX för att få ett spektrum av BDR J1750+3809, som avslöjade den karakteristiska signaturen för metan i atmosfären. Metan är kännetecknet för de coolaste bruna dvärgarna, och även rikligt i atmosfärerna på vårt solsystems gasjätteplaneter.

"Dessa observationer belyser verkligen den ökade effektiviteten hos SpeX efter dess NSF-finansierade uppgradering med toppmoderna infraröda arrayer och elektronik under 2015, sade John Rayner, IRTF direktör och astronom vid UH IfA.