Телескоп Джеймса Вебба вперше напряму показав, що водяні хмари на іншому світі змінюють свою товщину з часом. Команда астрономів простежила «погоду» на об’єкті WISE 0855 — найхолоднішому відомому коричневому карлику, розташованому лише за 7,5 світлового року від нас. Про це повідомляє видання SciTechDaily.
Світ без Сонця, але з мінливою атмосферою
Коричневі карлики починають життя як зорі, але не набирають достатньої маси, щоб підтримувати стабільний термоядерний синтез водню в ядрі. Вони повільно випромінюють тепло, що залишилося від формування, і за масою зазвичай перевищують планети, але найменші з них лежать на межі між планетами та зорями.
WISE 0855 якраз і знаходиться поблизу цієї межі. Він має приблизно удвічі більшу масу за Юпітер і майже такий самий розмір, тож нагадує гігантську планету, що мандрує простором без зорі-господаря. Його температура близько 265 Кельвінів (приблизно 17 °F), тобто нижча за середню температуру поверхні Землі.
Оскільки поруч немає зорі, що б його освітлювала й нагрівала, атмосферну циркуляцію на WISE 0855 живить внутрішнє тепло. Це дає вченим унікальну можливість дослідити, як власне тепло гігантського світу формує його небо.
Як Вебб «розшарував» хмари та гази
Команда під керівництвом Бріттані Майлз (Brittany Miles) зі Стервудської обсерваторії Університету Аризони спостерігала за WISE 0855 протягом 11 годин. Кожні 15 хвилин телескоп записував спектр його випромінювання — тобто розкладав світло на окремі довжини хвиль, пов’язані з конкретними молекулами.
Раніше астрономи мали лише фотометричні дані — вимірювання загальної яскравості. У таких спостереженнях вплив хмар, хімічного складу та температури змішується, і важко зрозуміти, що саме спричиняє зміни. Середньороздільний спектрограф Вебба дозволив уперше розділити внесок окремих молекул і простежити, як змінюються їхні спектральні ознаки з часом.
Коли WISE 0855 обертається, в поле зору по черзі потрапляють ділянки атмосфери з різною температурою та хмарністю. Це викликає коливання яскравості. Аналіз спектрів показав, що на великих висотах водяні хмари періодично стають то товстішими, то тоншими. Паралельно вчені зафіксували температурні зміни, пов’язані з обертанням об’єкта.
Окремий, повторюваний хвилеподібний сигнал з’явився в спектральних ознаках, пов’язаних із чадним газом (CO) та фосфіном (PH3). Це вказує на те, що ці гази піднімаються з глибших, гарячіших шарів атмосфери.
Атмосферна «кухня» та хімія поза рівновагою
Такий підйом газів нагадує циркуляцію в каструлі з гарячим супом: тепла рідина підіймається знизу вгору. На WISE 0855 конвекція переносить хімічні сполуки в холодніші шари, де їхня кількість відрізняється від тієї, яку можна було б очікувати за місцевих умов. Це явище називають хімією поза рівновагою (disequilibrium chemistry).
Подібне перемішування спостерігається в атмосфері Юпітера, а також в інших коричневих карликів. Однак нові дані Вебба вперше дозволили простежити ці процеси в часі для окремих молекул і одночасно відокремити їх від змін у водяних хмарах.
За словами дослідників, вони буквально бачать, як водяні хмари стають товстішими й тоншими, а глибокі гази піднімаються й опускаються — і все це в режимі «реального часу» протягом годин спостережень.
Юпітер як ключ до далеких світів
Досвід вивчення Юпітера став важливим орієнтиром для інтерпретації даних WISE 0855. Співавтор роботи Марк Марлі (Mark Marley) порівнює задачу з поглядом крізь москітну сітку: потрібно зрозуміти і те, що за «екраном», і сам «екран», який відфільтровує частину світла. Моделі атмосфери, розроблені ним та іншими теоретиками для Юпітера, лягли в основу інтерпретації спостережень Вебба.
Хоча коричневі карлики формально не є планетами, вони демонструють «планетоподібну» поведінку. Дослідники наголошують, що між коричневими карликами та газовими гігантами немає жорсткої межі — радше безперервний спектр властивостей. Юпітер і WISE 0855 виглядають дуже по-різному, але їхні атмосферні процеси виявляються подібними.
Ці зв’язки допоможуть краще тлумачити спостереження газових гігантів-екзопланет, які нині стають доступними для Вебба. Попри різні температури, оточення та зовнішній вигляд, усі ці світи підкоряються однаковим базовим законам фізики та хімії, що керують переносом тепла, утворенням хмар і перерозподілом речовин.
Наступний крок — довші спостереження
Робота також поєднує кілька поколінь досліджень атмосфер. Моделі Бріттані Майлз спираються на фундаментальні теоретичні розробки, зокрема Марка Марлі, перевірені на даних про Юпітер. Така спадковість дала змогу команді впевненіше інтерпретувати складні часові патерни в даних Вебба.
Тепер дослідники прагнуть отримати ще триваліші серії спостережень WISE 0855. Це допоможе точніше визначити період його обертання та простежити тривимірний рух атмосфери — від глибин до верхніх шарів хмар. Нові дані мають показати, наскільки стабільними є виявлені погодні структури та як вони змінюються з часом.