Closest Brown Dwarf Companion Ever Spotted Around a Star Provokes New Perspective
May 21, 2002
Astronomers using adaptive optics technology on the Gemini North Telescope have observed a brown dwarf orbiting a low-mass star at a distance comparable to just three times the distance between the Earth and Sun. This is the closest separation distance ever found for this type of binary system using direct imaging.
Images and illustrations available on Page 3 of this release.
The record-breaking find is just one of a dozen lightweight binary
systems observed in the study. Together, they provide a new perspective
on the formation of stellar systems and how smaller bodies in the
Universe (including large planets) might form.
"By
using Gemini's advanced imaging capabilities, we were able to clearly
resolve this binary pair where the distance between the brown dwarf and
its parent star is only about twice the distance of Mars from the Sun,"
said team member Melanie Freed, a graduate student at the University of
Arizona in Tucson. With an estimated mass of 38-70 times the mass of
Jupiter, the newly identified brown dwarf is located just three times
the Sun-Earth distance (or 3.0 Astronomical Units) from its parent
star. The star, known as LHS 2397a, is only 46 light-years from Earth.
The motion of this object in the sky indicates that it is an old, very
low-mass star.
The previous imaging record for the closest distance between a brown dwarf and its parent (a much brighter, Sun-like star) was almost five times greater at 14 AU. One Astronomical Unit (AU) equals the average distance between the Earth and the Sun or about 150 million kilometers (93 million miles).
Often
portrayed as "failed stars," brown dwarfs are bigger than giant planets
like Jupiter, but their individual masses are less than 8% of the Sun's
mass (75 Jupiter masses), so they are not massive enough to shine like
a star. Brown dwarfs are best viewed in the infrared because surface
heat is released as they slowly contract. The detection of brown dwarf
companions within 3 AU of another star is an important step toward
imaging massive planets around other stars.
This
University of Arizona team led by Dr. Laird Close used the Gemini North
Telescope to detect eleven other low mass companions, suggesting that
these low-mass binary pairs may be quite common. The discovery of so
many low-mass pairs was a surprise, given the argument that most very
low-mass stars and brown dwarfs were thought to be solo objects
wandering though space alone after being ejected out of their stellar
nurseries during the star formation process.
"We have
completed the first adaptive optics-based survey of stars with about
1/10th of the Sun's mass, and we found nature does not discriminate
against low-mass stars when it comes to making tight binary pairs,"
said Close, an assistant professor of astronomy at the University of
Arizona. Dr. Close is the lead author on a paper presented today at the
Brown Dwarfs International Astronomical Union Symposium in Kona,
Hawaii, and he is the principal investigator of the low-mass star
survey.
The team looked at 64 low-mass stars
(originally identified by John Gizis of the University of Delaware)
that appeared to be solo stars in the lower resolution images from the
2MASS all-sky infrared survey. Once the team used adaptive optics on
Gemini to make images that were ten times sharper, twelve of these
stars were revealed to have close companions. Surprisingly, Close's
team found that the separation distances between the low mass stars and
their companions were significantly less than expected.
"We find companions to low-mass stars are typically only 4 AU from their primary stars, this is surprisingly close together," said team member Nick Siegler, a University of Arizona graduate student. "More massive binaries have typical separations closer to 30 AU, and many binaries are much wider than this." The new Gemini observations, Close said, "imply strongly that low-mass stars do not have companions that are far from their primaries." Similar results had been found previously by a team led by Dr. Eduardo L. Martin of the University of Hawaii Institute for Astronomy in a survey of 34 very low-mass stars and brown dwarfs in the Pleiades cluster carried out with the Hubble Space Telescope. These two surveys together clearly demonstrate that there is an intriguing dearth of brown dwarfs at separations larger than 20 AU from very low-mass stars and other brown dwarfs.
The team projects that
one out of every five low-mass stars has a companion with a separation
in the range (3-200 AU). Within this separation range, astronomers have
observed a similar frequency of more massive stellar companions around
larger Sun-like stars.
Taken as a whole, these new
results suggest that (contrary to theory) low-mass binaries may form in
a process similar to that of more massive binaries. Indeed, this
finding adds to growing evidence from other groups that the percentage
of binary systems is similar for bodies spanning the range from one
solar mass to as little as 0.05 solar masses (or 52 times Jupiter's
mass). For example, a group led by Neill Reid of the Space Telescope
Science Institute and the University of Pennsylvania has come to a similar conclusion with a smaller sample of 20 even lower-mass stars and brown dwarfs observed with the Hubble Space Telescope.
The
fact that low-mass stars have any low-mass brown dwarf companions
inside 5 AU is also surprising because the exact opposite is true
around Sun-like stars. Very few Sun-like stars have brown dwarf
companions inside this distance, according to radial velocity studies.
"This lack of brown dwarf companions within 5 AU of Sun-like stars has
been called the 'brown dwarf desert'," Close noted. "However, we see
there is likely no brown dwarf desert around low-mass stars."
These
results form important constraints for theorists working to understand
how the mass of a star affects the mass and separation distance of the
companions that form with it. "Any accurate model of star and planet
formation must reproduce these observations," Close said.
These
observations were possible only because of the combination of the
University of Hawaii's uniquely sensitive Hokupa'a adaptive optics
imaging system and the technical performance of the Gemini telescopes.
The Hokupa'a system sensitivity is due to the curvature wavefront
sensing concept developed by Dr. Francois Roddier. Adaptive optics is
an increasingly crucial technology that eliminates most of the
"blurring" caused by the turbulence in the Earth's atmosphere (i.e.,
the twinkling of the stars). It does this by rapidly adjusting the
shape of a special, smaller flexible mirror to match local turbulence,
based on real-time feedback to the mirror's support system from
observations of the low-mass star. Hokupa'a can count individual
photons (particles of light) and so can sharpen accurately even very
faint (i.e., low-mass) stars.
The near-infrared
adaptive optics images made by the 8-meter Gemini telescope in this
survey were twice as sharp as those that can be made at the same
wavelengths by the Earth-orbiting, 2.4-meter Hubble Space Telescope.
The only ground-based survey of its kind, this work required five
nights over one year with the Hokupa'a system at Gemini North.
It is important to note that the distances used here are as measured on the sky. The real orbital separations may be slightly larger once the full orbit of these binaries is known in the future.
Other
science team members include James Liebert (Steward Observatory,
University of Arizona), Wolfgang Brandner (European Southern
Observatory, Garching, Germany), and Eduardo Martin and Dan Potter
(Institute for Astronomy, University of Hawaii).
The observations reported here are part of an ongoing survey. Initial results from the first 20 low-mass stars of our survey have been published in the March 1, 2002 issue of The Astrophysical Journal Letters vol 567 Pages L53-L57.
Laird Close can be contacted at 520/626-5992, lclose@as.arizona.edu, after he returns to his office on May 28.
This
survey was supported in part by the U.S. Air Force Office of Scientific
Research and the University of Arizona's Steward Observatory. Hokupa'a
is supported by the University of Hawaii Adaptive Optics Group and the
National Science Foundation.
The Gemini Observatory
is an international collaboration that has built two identical 8-meter
telescopes. The telescopes are located at Mauna Kea, Hawaii (Gemini
North) and Cerro Pachón in central Chile (Gemini South), and hence
provide full coverage of both hemispheres of the sky. Both telescopes
incorporate new technologies that allow large, relatively thin mirrors
under active control to collect and focus both optical and infrared
radiation from space.
The Gemini Observatory provides the astronomical communities in each partner country with state-of-the-art astronomical facilities that allocate observing time in proportion to each country's contribution. In addition to financial support, each country also contributes significant scientific and technical resources. The national research agencies that form the Gemini partnership include: the US National Science Foundation (NSF), the UK Particle Physics and Astronomy Research Council (PPARC), the Canadian National Research Council (NRC), the Chilean Comisión Nacional de Investigación Cientifica y Tecnológica (CONICYT), the Australian Research Council (ARC), the Argentinean Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) and the Brazilian Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq). The Observatory is managed by the Association of Universities for Research in Astronomy, Inc. (AURA) under a cooperative agreement with the NSF. The NSF also serves as the executive agency for the international partnership.
For more information, see the Gemini website at: http://www.us-gemini.noao.edu/media/.
Contacts:
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{mospagebreak}El acompañante más cercano de una enana marrón jamás divisado alrededor de una estrella provoca una nueva perspectiva en la formación de objetos de baja masa
Los astrónomos que utilizan la tecnología de óptica adaptativa en el
Telescopio Gemini Norte han observado una enana marrón orbitando una
estrella de baja masa a una distancia comparable a apenas tres veces la
distancia entre la Tierra y el Sol. Esta es la menor distancia de
separación jamás encontrada para este tipo de sistemas binarios usando
imagen directa.
El hallazgo sin precedentes es apenas
uno de una docena de sistemas binarios de baja masa observados en el
estudio y podría arrojar una nueva luz en la formación de sistemas
estelares y de cómo podrían formarse los cuerpos más pequeños en el
Universo (incluyendo los planetas grandes).
"Al usar
las avanzadas capacidades de imagen de Gemini, fuimos capaces de
resolver claramente este par binario en el cual la distancia entre la
enana marrón y su estrella progenitora sea sólo cerca del doble de la
distancia de Marte desde el Sol" señaló la integrante del equipo
Melanie Freed, estudiante graduada de la Universidad de Arizona en
Tucson. Con una masa estimada de 38-69 veces la masa de Júpiter, la
recién identificada enana marrón se ubica a sólo tres veces la
distancia Sol-Tierra (o 3.0 Unidades Astronómicas) desde su estrella
progenitora. La estrella, conocida como LHS2397a, está a sólo 46 años
luz de distancia de la Tierra.
La anterior imagen
obtenida de una enana marrón y su progenitora (una estrella - tipo Sol,
mucho más brillante) fue para una separación casi 5 veces mayor, unas
14 Unidades Astronómicas (UA). Una Unidad Astronómica (UA) iguala la
distancia promedio entre la Tierra y el Sol o aproximadamente 150
millones de kilómetros (93 millones de millas). Lea el comunicado de
prensa, ¨Enana marrón encontrada orbitando cerca de una estrella tipo
sol¨
Comúnmente descritas como ¨estrellas fallidas¨,
las enanas marrones son más grandes que los planetas gigantes como
Júpiter, pero sus masas individuales son menos del 8% de la masa del
Sol (75 masas de Júpiter), por lo que no son lo suficientemente masivas
para brillar en la misma forma en que lo hace una estrella de mayor
masa. Las enanas marrones son mejor vistas en el infrarrojo porque el
calor de la superficie se libera a medida que se contraen lentamente.
La detección de compañeros de enanas marrones dentro de 3 UA es un paso
adelante hacia el lograr imágenes de planetas masivos alrededor de
otras estrellas.
Este equipo de la Universidad de
Arizona liderado por el Dr. Laird Close utilizó el telescopio de Gemini
Norte para detectar otros 11 compañeros de baja masa, sugiriendo que
estos pares binarios de masa baja pueden ser muy comunes. El
descubrimiento de tantos pares de baja masa fue una sorpresa , dado el
argumento que la mayor parte de las estrellas de baja masa y las enanas
marrones estaban pensadas como objetos solos que vagaban por el espacio
a solas después de haber sido expulsadas de sus cunas de estrellas
durante el proceso de formación estelar.
"Hemos
completado , basados en la óptica adaptativa, la primera encuesta de
estrellas con cerca de 1/10 de la masa del Sol y nos dimos cuenta que
la naturaleza no discrimina en contra de las estrellas de baja masa
cuando se trata de hacer pares binarios apretados", dijo Close, un
profesor asistente de astronomía de la Universidad de Arizona. El Dr.
Close es el autor principal de un trabajo presentado hoy en Kona,
Hawaii en el Simposio de la Unión Astronómica International sobre
enanas marrones y es el investigador principal de la encuesta de
estrellas de baja masa.
El equipo miró 64 estrellas
de baja masa (originalmente identificadas por John Gizis del Centro de
Análisis y Procesamiento Infrarrojo) que parecían ser estrellas en
solitario en las imágenes de más baja resolución de la encuesta de
imágenes infrarrojas de todo el cielo 2Mass. Una vez que el equipo
utilizó la óptica adaptativa en Gemini para hacer que las imágenes
fueran 10 veces más nítidas, doce de esas estrellas revelaron tener
compañeros cercanos. Sorprendentemente, el equipo de Close notó que las
distancias de separación entre las estrellas de baja masa y sus
compañeros era significantemente menor que lo esperado.
"Nos
dimos cuenta que los compañeros de las estrellas de baja masa están
normalmente a 4 UA de sus estrellas primarias, lo cual es
sorprendentemente cercano uno al otro", señaló el integrante del equipo
Nick Siegler, un estudiante graduado de la Universidad de Arizona. ¨Las
binarias más masivas tienen separaciones típicas cercanas de 30 UA, y
muchas binarias son aún más amplias que ésto¨. Las nuevas observaciones
de Gemini, dice Close, ¨implican forzosamente que las estrellas de baja
masa no tienen compañeros que estén alejados de sus primarias¨.
El
equipo que lleva a cabo el proyecto estima que uno de cada cinco
estrellas de baja masa tiene una compañera con una separación en el
rango identificado por este estudio. Dentro de este rango de
separación, los astrónomos observaron una frecuencia similar de
compañeros alrededor de estrellas masivas tipo Sol.
En
consecuencia, estos nuevos resultados sugieren que (contrario a la
teoría) los pares binarios de baja masa pueden formarse en un proceso
similar al de las binarias más masivas. En efecto, estos hallazgos se
agregan a la creciente evidencia de otros grupos que dicen relación con
que el porcentaje de sistemas binarios es similar a los cuerpos que
abarcan el mismo rango desde una masa solar hacia masas solares tan
pequeñas como 0.05 (o 52 veces la masa de Júpiter). Por ejemplo, un
grupo encabezado por Neil Reid de la Universidad de Pensilvania ha
llegado a una conclusión similar
con una muestra más pequeña de 20 estrellas de incluso menor masa y
estrellas marrón observadas con el Telescopio Espacial Hubble.
¨El
hecho que las estrellas de baja masa tengan a enanas marrones de
acompañantes dentro de 5 UA es también sorprendente porque exactamente
lo contrario se cumple con las estrellas tipo Sol. Sólo unas pocas
estrellas tipo Sol tienen enanas marrones compañeras dentro de esta
distancia, de acuerdo a los estudios de velocidad radial.¨Esta ausencia
de compañeros enanas marrones dentro de las 5 UA de estrellas tipo Sol
ha sido denominado el ¨desierto de enanas marrones¨, precisó Close. ¨En
todo caso, vemos que probablemente no haya desierto de enanas café
alrededor de las estrellas de baja masa¨.
Estos
resultados son una información importantísima para los teóricos que
trabajan para entender cómo la masa de una estrella afecta la masa y
distancia de separación de los compañeros que se forman con esto.
¨Cualquier modelo preciso de estrella y formación de planetas debe
reproducir estas observaciones¨dice Close.
Estas
observaciones fueron posible sólo por la combinación del sistema de
imaging de Optica Adaptativa extremadamente sensible del instrumento de
la Universidad de Hawaii denominado Hokupa´a y el trabajo técnico de
los telescopios Gemini. La óptica Adaptativa es una tecnolgía cada vez
más crucial que elimina la mayor parte de la ¨borrosidad¨ causada por
la turbulencia en la atmósfera de la Tierra (por ejemplo: el titileo de
las estrellas). Hace ésto ajustando rápidamente la forma especial y
flexible del espejo de un telescopio de manera de corregir la
turbulencia local, basado en la retroalimentación a tiempo real del
sistema de apoyo del espejo originado en las observaciones de la
estrella de baja masa. Hokupa´a puede contar fotones individuales
(partículas de luz) por lo que puede hacer más nítido de manera precisa
incluso las estrellas débiles (por ejemplo de baja masa).
Las
imágenes cercanas de óptica adaptativa infrarrojas capturadas por el
telescopio de 8 m. de Gemini en esta encuesta, fueron doblemente
nítidas en comparación con las hechas en la misma longitud de onda por
el Telescopio Espacial Hubble de 2.4 metros que orbita la Tierra. Ésta
es la única encuesta en su tipo hecha con telescopios terrestres y
requirió 5 noches a lo largo de un año para llevarse a cabo.
Es
importante notar que las distancias mencionadas aquí son las que se
midieron directamente en el cielo. Las separaciones reales de órbita
podrían ser un poco más grandes una vez que la órbita completa de estos
sistemas binarios sea conocida en la próxima década.
Otros
miembros del equipo de ciencia incluyen a James Liebert (Observatorio
Steward, Universidad de Arizona), Wolfgang Brandner (Observatorio
Europeo del Sur, Garching Alemania) y Eduardo Martin y Dan Potter
(Instituto de Astronomía, Universidad de Hawaii).
Las observaciones reportadas aquí, son parte de una encuesta en curso. Los resultados iniciales
de las primeras 20 estrellas de baja masa de nuestra encuesta han sido
publicados en la edición del 1 de marzo del Astrophysical Journal
Letters, vol 567 , páginas L53 - L57.
Este estudio fue patrocinado en parte por la Fuerza Aérea Norteamericana de Investigación Científica y el Observatorio Steward de la Universidad de Arizona. Hokupa´a es patrocinado por el grupo de Optica adaptativa de la Universidad de Hawaii y la Fundación Nacional de la Ciencia de Estados Unidos (NSF).
El Observatorio Internacional
Gemini es una colaboración multinacional que ha construido dos
telescopios de 8 metros idénticos en Mauna Kea, Hawaii (Gemini Norte) y
Cerro Pachón en Chile (Gemini Sur) que están abiertos para la comunidad
mundial de astrónomos. Ambos telescopios incorporan nuevas tecnologías
que permiten que espejos grandes y relativamente delgados recojan y
enfoquen tanto la radiación óptica como la infrarroja proveniente del
espacio.
El Observatorio Gemini es dirigido por la
Asociación de Universidades para la Investigación en Astronomía (AURA)
bajo un acuerdo de cooperación con la Fundación Nacional de la Ciencia
de Estados Unidos (NSF). La NSF también participa como agencia
ejecutiva para la asociación internacional.
Las otras
agencias de investigación de la asociación de Gemini incluyen: el
Consejo de Investigación en Astronomía y Física del Reino Unido
(PPARC), el Consejo de Investigación Nacional de Canada (NRC), la
Comisión Nacional de Investigación Científica y Tecnológica de Chile
(CONICYT), el Consejo de Investigación de Australia (ARC), el Consejo
Nacional Argentino de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET)
y el Conselho Nacional de Brasil de Pesquisas Científicas e
Tecnológicas (CNPq).
Para mayor información, diríjase a la página web de Gemini en: http://www.us-gemini.noao.edu/media/.
Contacts:
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Peter Michaud |
Lori Stiles | |
{mospagebreak}Image Resources
| This
discovery image from the Gemini Observatory represents the closest
brown dwarf companion ever directly imaged around a star (named LHS
2397a). This image was obtained on Feb. 7, 2002 with the Gemini North
Telescope on Mauna Kea in Hawaii using the University of Hawaii's
Adaptive Optics system Hokupa`a and the QUIRC infrared imager. The
resolution of the image is 0.1 arcseconds (equal to the size of a
quarter held 32 miles away). The companion is so faint and red that it
must have a cool "L7" atmosphere and is therefore only massive enough
to be a brown dwarf. Credit: " Gemini Observatory/Melanie Freed, Laird Close, Nick
Siegler University of Arizona/ Hokupa'a-QUIRC image, University of
Hawaii, IfA" |
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Companion Distances From Low-Mass Stars:
This illustration shows the relatively small separations of the 12
companions found around low-mass stars that were studied in the Gemini
Observatory survey by Laird Close et al. The wide view at the top shows
the common distances for companions around larger "parent" stars (white
dots), with the low-mass companions (orange dots) enlarged in the lower
part of the illustration and a scale of our solar system drawn in for
comparison. The fainter orange companions are brown dwarfs; the
brightest are likely low-mass stars. Two gridlines equals one
Astronomical Unit or the average distance between the Earth and the Sun
(approximately 150,000,000 km or 93,000,000 miles.) Credit: "Gemini Observatory" optional additional credit "Artwork by Jon Lomberg" |
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A Glaring Problem:
The main difficulty in detecting smaller bodies in orbit around stars
is the central star is often so bright that its glare hides the dim
light from the much fainter companion. By focusing on low-mass central
stars, this study was able to detect much closer and smaller companions
due to the reduced glare from the central star as illustrated in this
diagram. This problem of faint companion detection around a bright star
is often described as like "trying to see a firefly near a spotlight". Credit: "Gemini Observatory" optional additional credit "Artwork by Jon Lomberg" |
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What Orbits Stars:
Astronomers have found many types of objects in orbit around stars.
These range from other full-sized stars like our sun (binary star
systems) to Jupiter sized planets (never directly imaged but inferred
from radial-velocity spectroscopy). The relative sizes of these various
types of bodies are shown above for comparison. Even though a brown
dwarf can be similar in diameter to a Jupiter sized planet, brown
dwarfs are 13-75 times more massive and they can appear on the order of
100-1,000,000 times brighter than a Jupiter sized planet at infrared
wavelengths where they are studied with telescopes. Credit: "Gemini Observatory" optional additional credit "Artwork by Jon Lomberg" |
