Астрономы смогли в режиме реального времени наблюдать, как меняется облачный покров на одном из самых холодных известных коричневых карликов. Благодаря космическому телескопу «Джеймс Уэбб» (James Webb Space Telescope, JWST) исследователи не только зафиксировали утолщение и истончение водяных облаков, но и проследили за перемещением газов из глубин атмосферы небесного тела.
Объект WISE 0855 находится всего в 7,5 светового года от Земли. Исследование, проведённое командой под руководством Бриттани Майлз (Brittany Miles) из обсерватории Стюарда при Аризонском университете, открывает новые возможности для изучения атмосфер далёких миров.
Что такое коричневый карлик?
Коричневые карлики занимают промежуточное положение между планетами-гигантами и звёздами. Их масса недостаточна для поддержания устойчивых термоядерных реакций синтеза водорода в ядре — именно этот процесс обеспечивает звёзды энергией на протяжении большей части их жизни.
При этом такие объекты способны излучать тепло, оставшееся после формирования, и обладают атмосферными процессами, во многом напоминающими те, что происходят на планетах-гигантах.
WISE 0855 — особенно интересный представитель этой категории. Его масса примерно вдвое превышает массу Юпитера, а размеры сопоставимы с крупнейшей планетой Солнечной системы. Температура объекта составляет около 265 кельвинов, или −8 °C, что делает его одним из самых холодных известных коричневых карликов.
По своим характеристикам он напоминает гигантскую планету, свободно дрейфующую в межзвёздном пространстве. Изучение подобных объектов помогает учёным понять, где проходит граница между планетами и звёздами и насколько похожи их атмосферы.
Как телескоп «Джеймс Уэбб» наблюдал за погодой на другом мире?
Исследователи направили телескоп на WISE 0855 на протяжении 11 часов. Каждые 15 минут приборы получали новый спектр излучения объекта.
Спектр позволяет определить, какие вещества присутствуют в атмосфере небесного тела и как меняются условия в разных её слоях. В данном случае ключевую роль сыграл спектрограф среднего разрешения, способный различать тонкие особенности инфракрасного излучения отдельных молекул.
Ранее астрономы располагали преимущественно фотометрическими данными — измерениями яркости объекта в определённых диапазонах. Однако изменение яркости само по себе не позволяет однозначно установить причину происходящего. На него могут влиять облачность, температура и химический состав атмосферы.
Новый подход помог разделить эти факторы и проследить за несколькими процессами одновременно.
«До появления JWST мы располагали только фотометрическими данными, которые смешивали влияние облаков, химии и температуры. Теперь мы можем различать эти факторы», — отметила Бриттани Майлз.
Поскольку WISE 0855 вращается, телескоп последовательно наблюдает разные участки его атмосферы. Области с неодинаковой температурой и плотностью облаков по-разному влияют на регистрируемое излучение. Анализ этих изменений позволяет восстановить картину атмосферной активности.
Водяные облака и газы из глубин атмосферы
Наблюдения выявили сразу несколько процессов. Во-первых, водяные облака в верхних слоях атмосферы WISE 0855 становились то плотнее, то тоньше. Во-вторых, конвекция переносила химические соединения из более глубоких и горячих слоёв наверх.
Конвекция — это перенос тепла и вещества за счёт движения потоков газа. В атмосфере коричневого карлика она обеспечивает перемешивание между глубинными областями и слоями, доступными для наблюдения.
Особенно показательным оказалось изменение сигналов, связанных с угарным газом и фосфином. Их концентрации и распределение зависят от химических реакций, температуры и движения вещества внутри атмосферы.
В исследовании учёные обнаружили ритмичные колебания, связанные с этими газами. Они указывают на то, что внутреннее тепло объекта приводит атмосферу в движение, поднимая вещества из глубины к верхним слоям.
Подобные процессы происходят и на Юпитере. Там конвективные потоки также переносят вещества между различными уровнями атмосферы. Однако возможность наблюдать изменения на WISE 0855 непосредственно в ходе его вращения даёт исследователям дополнительную информацию о динамике такого мира.
Учёные называют подобные химические процессы неравновесной химией. Это ситуация, когда химический состав атмосферы не соответствует тому, который установился бы при локальном термодинамическом равновесии. Причина — в постоянном перемешивании газов и изменении физических условий.
«Мы видим, как водяные облака становятся толще и тоньше, а газы из глубинных слоёв поднимаются и опускаются. И мы действительно можем наблюдать эти изменения в реальном времени», — подчеркнула Майлз.
Почему это открытие важно для изучения экзопланет?
Хотя коричневые карлики формально не относятся к планетам, их атмосферы могут служить своеобразной лабораторией для изучения процессов, характерных для газовых гигантов.
На WISE 0855 исследователи получили возможность раздельно отслеживать облачность, конвекцию и химические изменения. Это помогает понять, как взаимодействуют различные механизмы, формирующие погоду и структуру атмосферы.
Полученные данные могут пригодиться и при изучении экзопланет — планет за пределами Солнечной системы. В частности, они помогут интерпретировать наблюдения газовых гигантов, атмосферы которых также содержат облака и сложные химические смеси.
В дальнейшем команда Майлз намерена продолжить наблюдения за WISE 0855. Более продолжительные серии измерений позволят точнее определить особенности его вращения и восстановить трёхмерную картину движения вещества в атмосфере.
Результаты исследования опубликованы на сервере препринтов arXiv и приняты к публикации в научном журнале The Astrophysical Journal.
Открытие демонстрирует, насколько далеко продвинулась астрономия благодаря инфракрасным возможностям телескопа «Джеймс Уэбб». Теперь учёные могут не просто определять состав атмосферы далёкого небесного тела, но и наблюдать, как она меняется. А это важный шаг к более глубокому пониманию погоды на мирах за пределами нашей Солнечной системы.
