Космічний телескоп Джеймса Вебба вперше детально простежив, як змінюються водяні крижані хмари та глибокі газові потоки в атмосфері найхолоднішого відомого коричневого карлика WISE 0855. Про результати повідомляє команда під керівництвом Бріттані Майлз (Brittany Miles) з Університету Аризони, на які посилається видання Universe Today.
Коричневі карлики займають проміжне положення між зорями та планетами: вони формуються як зорі, але не набирають достатньої маси для стійкого термоядерного горіння, водночас є занадто масивними, щоб вважатися звичайними планетами. WISE J085510.83-071442.5, або просто WISE 0855, відкритий у 2014 році за допомогою інфрачервоного оглядача WISE, розташований лише за 7,2 світлового року в сузір’ї Гідри та є третім найближчим до нас об’єктом такого типу.
Цей коричневий карлик належить до найхолоднішого класу Y: температура його верхньої атмосфери становить близько 265 К (приблизно −8 °C). За розмірами він подібний до Юпітера, але має масу у 3–10 разів більшу. Попри низьку температуру, WISE 0855 випромінює достатньо інфрачервоного тепла, щоб його можна було відстежувати на фоні космосу.
«Золотоволоса зона» для хмар з водяного льоду
WISE 0855 опинився в особливому діапазоні температур, який астрономи називають своєрідною «золотоволосою зоною» для атмосфер. Тут занадто холодно, щоб утворювалися хмари з розплавленого заліза, зате достатньо холодно для формування крижаних хмар із водяної пари, і водночас досить тепло, щоб аміак залишався газом.
Уже близько десяти років астрономи сперечалися, чи справді в атмосфері WISE 0855 є водяні хмари. Єдине, що вони бачили в телескопи, — це точка світла, спектр якої можна розкласти на окремі довжини хвиль і за провалами в цьому «райдужному відбитку» визначати хімічний склад. Проте було незрозуміло, чи пояснюється спектр водяними хмарами, які затіняють тепліші глибші шари, чи так званою хімією, що не перебуває в рівновазі: коли потужні висхідні потоки виносять угору монооксид вуглецю, вуглекислий газ і фосфін, які можуть імітувати подібний спектральний підпис.
Як JWST «розшарував» атмосферу WISE 0855
Щоб розв’язати цю загадку, команда використала спектрограф NIRSpec на борту JWST у режимі Bright Object Time-Series (BOTS). Телескоп спостерігав за WISE 0855 протягом 11 годин, отримуючи новий інфрачервоний спектр кожні 15 хвилин у діапазоні від 2,87 до 5,27 мікрона. У підсумку вчені отримали 44 послідовні «знімки» спектра, які дозволили простежити, як змінюється яскравість об’єкта з часом.
Аналіз цих даних дав три ключові результати:
- найсильніші коливання яскравості за 11 годин спостерігалися в діапазоні 4,5–4,8 мікрона — саме там, де світло активно поглинає монооксид вуглецю. У міру обертання карлика інтенсивність у цій смузі змінювалася приблизно на 10%;
- у ділянках спектра, які не перекриваються з поглинанням метану чи аміаку у верхніх шарах атмосфери, виявилися виразні варіації, пов’язані з вуглекислим газом і фосфіном;
- водяний спектральний підпис майже не змінював свою яскравість у часі.
З цих спостережень дослідники виділили два різні типи змін, що відповідають різним глибинам атмосфери. Перший, основний компонент пояснює близько 60,5% усієї змінності яскравості. Він пов’язаний із невеликими коливаннями середньої температури поверхні (приблизно на 0,6–1,3 градуса) та, ймовірно, зі змінами в покриві крижаних водяних хмар.
Другий компонент, який відповідає приблизно за 4,7% змінності, проявляється переважно в смугах поглинання монооксиду вуглецю та фосфіну. Його крива яскравості відрізняється від загальної, що вказує на походження з набагато глибших шарів атмосфери, де діють потужні висхідні потоки газу.
Моделі підтверджують наявність водяних хмар
Маючи часовий ряд спектрів, команда протестувала дві сучасні комп’ютерні моделі атмосфер — PICASO та coolTLUSTY. Обидві моделі показали, що сценарій із водяними хмарами набагато краще узгоджується з даними, ніж будь-який варіант без них.
За результатами моделювання, ми спостерігаємо плямисті водяні крижані хмари у верхній частині атмосфери WISE 0855 на тиску близько 1–4 бар. Значно глибше, ближче до умовної «поверхні» об’єкта, висхідні потоки піднімають монооксид вуглецю, вуглекислий газ і фосфін, які й створюють характерні зміни в спектрі.
Якби можна було побачити WISE 0855 зблизька в інфрачервоному діапазоні, він, за оцінками дослідників, виглядав би як смугастий світ із швидкими екваторіальними струменями, загорнутий у крижані водяні хмари при дуже низьких температурах.
Невідома швидкість обертання і подальші кроки
Попри детальний погляд на атмосферу, одна важлива характеристика WISE 0855 досі лишається невідомою — швидкість його обертання. Рух газу в атмосфері спотворює сигнал настільки, що за нинішніми даними відокремити власне обертання об’єкта не вдалося.
Дослідники вважають, що зможуть визначити період обертання, якщо отримають ще близько 20 годин часу на приладах JWST. З огляду на величезний попит на спостереження цим телескопом, це амбітний запит. Однак додаткові дані можуть розкрити ще більше деталей про цей близький до нас, але надзвичайно холодний коричневий карлик і загалом допомогти краще зрозуміти фізику найпрохолодніших субзоряних об’єктів.