De snelst draaiende bruine dwergen geklokt

Astronomen hebben met behulp van de Spitzer Space Telescope van de NASA de drie snelst draaiende bruine dwergen tot nu toe gevonden. Bruine dwergen zijn zwaarder dan de meeste planeten maat niet zwaar genoeg om, zoals in echte sterren, w aterstoffusie in hun binnenste op gang te brengen. Ze hangen een beetje tussen een planeet en een ster in en hoewel ze minder bekend zijn als planeten en sterren vermoeden astronomen dat er miljarden bruine dwergen voorkomen in ons sterrenstelsel.

In een onderzoek dat in de Astronomical Journal is gepubliceerd zeggen de onderzoekers dat de nieuwe snelheidsmetingen wel eens de grens kunnen zijn voor alle bruine dwergen. Bij nog hogere snelheden vallen ze uit elkaar. De snel draaiende bruine dwergen hebben allemaal een met Jupiter vergelijkbare diameter maar zijn 40 tot 70 keer zwaarder. Ze draaien alle drie ongeveer eenmaal per uur om hun as, de daaropvolgende bruine dwergen doen dat met ongeveer 1,4 uur en Jupiter heeft ongeveer 10 uur nodig om eenmaal om zijn as te draaien. Gebaseerd op hun grootte betekent dit dat de grootste van de drie bruine dwergen met een snelheid van meer dan 100 kilometer per seconde ronddraait. Dat is ongeveer 360.000 kilometer per uur.

De snelheidsmetingen werden gedaan met behulp van gegevens van de Spitzer Space Telescope. Deze ruimtetelescoop ging in januari 2020 met pensioen. De drie bruine dwergen werden gevonden met de Two Mass All Sky Survey (2MASS) die tot 2001 liep. Het team controleerde zijn bevinden met behulp van de Gemini Noord en Magellan telescopen.

Bruine dwergen draaien, net als sterren en planeten, al sinds hun ontstaan om hun as. Als ze afkoelen en samentrekken neemt hun draaiingssnelheid toe. Dat is te vergelijken met een draaiende schaatser die zijn armen intrekt. Wetenschappers hebben de draaisnelheden van ongeveer 80 bruine dwergen gemeten en die blijken te variëren van minder dan twee uur tot tientallen uren.

Er is dus een grote variatie in rotatiesnelheden dus de onderzoekers waren wel verrast dat de drie snelste bruine dwergen ooit gevonden alle drie ongeveer dezelfde rotatiesnelheid hebben (ongeveer een omwenteling per uur). Dit kan niet worden toegeschreven doordat ze samen zijn ontstaan of dat ze even ver in hun ontwikkeling zijn want het zijn drie totaal verschillende bruine dwergen. Eentje is een warme bruine dwerg, de andere is een koude en nummer drie valt er tussenin. Omdat bruine dwergen afkoelen naarmate ze ouder worden suggereert het verschil in temperatuur dat de bruine dwergen ook een verschillende leeftijd hebben.

De onderzoekers denken dat de leden van dit snelle drietal allemaal hun maximale rotatiesnelheid hebben bereikt. Nog sneller en een bruine dwerg valt uit elkaar.

Alle draaiende objecten genereren een centripetale (middelpuntzoekende) kracht die groter wordt naarmate de snelheid toeneemt. In een kermisattractie kan deze kracht mensen uit hun stoeltjes gooien. In sterren en planeten kan deze kracht ervoor zorgen dat objecten uit elkaar scheuren. Voordat een object uit elkaar wordt gerukt begint het wel vaak, als gevolg van deformerende krachten, rond de evenaar uit te stulpen. Wetenschapper noemen dit ‘oblatie’. Saturnus, die net zoals Jupiter eenmaal per 10 uur om zijn as draait heeft een meetbare oblatie. Uitgaande van onze kennis over bruine dwergen hebben die vermoedelijk een vergelijkbare oblatie, aldus de onderzoekers.

De snelheidslimiet

Aannemende dat bruine dwergen de neiging hebben om met het toenemen van hun snelheid sneller te gaan draaien overschrijden ze dan regelmatig hun maximale rotatiesnelheid en worden ze uit elkaar getrokken? Andere draaiende kosmische objecten, zoals sterren, hebben een ingebouwde rem die ervoor zorgt dat ze zichzelf niet vernietigen. Het is niet bekend of bruine dwergen ook een dergelijk mechanisme hebben.

Volgens de onderzoekers zou het best wel spectaculair zijn om een bruine dwerg te vinden die zo snel draait dat de atmosfeer de ruimte in wordt geslingerd. Maar tot nu toe is er geen bruine dwerg gevonden die dit doet. Dat betekent mogelijk dat bruine dwergen een mechanisme hebben dat ervoor zorgt dat ze vertragen op dit moment dat dit dreigt te gebeuren. De resultaten van hun onderzoek ondersteunen de mogelijkheid van een snelheidslimiet maar de reden hiervoor is nog niet bekend.

De maximale rotatiesnelheid van een object wordt niet alleen bepaald door zijn totale massa maar ook hoe die massa is verdeeld. Daarom is het, als het op die snelle rotatiesnelheden aankomt, ook belangrijk dat wetenschappers weten hoe een bruine dwerg van binnen is opgebouwd. Het materiaal binnen verplaatst zich en deformeert op manieren die de maximale rotatiesnelheid van een object kunnen veranderen. Vergelijkbaar met gasplaneten zoals Jupiter en Saturnus bestaan bruine dwergen grotendeels uit waterstof en helium.

Maar ze zijn ook aanzienlijk dichter dan de meeste gasreuzen. Wetenschappers denken dat de waterstof in de kern van een bruine dwerg onder een zo hoge druk staat dat die zich als een metaal gaat gedragen in plaats van een inert gas: het heeft vrije drijvende geleidende elektronen, zoals een kopergeleider. Dat verandert de manier waarop hitte door het binnenste wordt geleid en bij erg hoge rotatiesnelheden zorgt het mogelijk ook voor een verandering van de massaverdeling in het binnenste van een astronomisch object.

Deze toestand van waterstof, of welk gas dan ook onder zo’n extreme druk, is nog steeds erg raadselachtig. Het is buitengewoon uitdagend om deze toestand te reproduceren, zelfs in de meest geavanceerde hogedrukfysica-laboratoria.

Natuurkundigen gebruiken waarnemingen, laboratoriumgegevens en wiskunde om modellen op te stellen van hoe het binnenste van bruine dwergen er uitziet en hoe ze zich, onder extreme omstandigheden zouden gedragen. Maar de huidige modellen zegen dat de maximale rotatiesnelheid van een bruine dwerg ongeveer 50% tot 80% sneller is dan de één uursrotatie die in het nieuwe onderzoek is beschreven.

Het is mogelijk dat de huidige theorieën nog niet compleet zijn. Er kan een nog niet onderkende factor zijn die ervoor zorgt dat bruine dwergen niet sneller kunnen draaien. Aanvullende waarnemingen en theoretisch onderzoek kunnen nog onthullen of er een remmechanisme is dat bruine dwergen tegen zelfvernietiging beschermt en of er nog ergens in de duisternis bruine dwergen zijn die nóg sneller draaien.

De resultaten van het onderzoek zullen in het Astronomical Journal worden gepubliceerd.

Artikel: Weather on Other Worlds. V. The Three Most Rapidly Rotating Ultra-Cool Dwarfs,

Eerste publicatie: 8 april 2021
Bron: NASA/Phys.org