В атмосфере самого холодного коричневого карлика впервые заметили переменные водяные облака

Астрономы с помощью телескопа «Джеймс Уэбб» впервые подтвердили, что водяные облака за пределами Солнечной системы меняют свою плотность со временем. Наблюдения за коричневым карликом WISE 0855, расположенным всего в 7,5 световых годах от Земли, показали динамичную атмосферу, напоминающую погодные процессы на Юпитере.

Коричневый карлик WISE 0855, масса которого примерно вдвое превышает массу Юпитера, а температура составляет около 265 кельвинов (минус 8 градусов по Цельсию), долгое время оставался загадочным объектом. Его атмосфера достаточно холодна для образования водяных облаков, но при этом слишком тепла для конденсации аммиака, что делает его уникальной природной лабораторией для изучения атмосферных процессов за пределами нашей планетной системы.

В ходе исследования команда под руководством Бриттани Майлз из обсерватории Стюарда использовала инструмент NIRSpec на телескопе «Джеймс Уэбб» для записи спектра объекта каждые 15 минут в течение 11 часов. Это позволило получить наиболее детальный временной портрет этого холодного мира и впервые напрямую подтвердить, что водяные облака на другом небесном теле меняют свою толщину со временем, подобно погоде на Земле.

Анализ данных показал, что атмосфера WISE 0855 формируется под влиянием как минимум двух различных процессов, протекающих одновременно. На больших высотах располагаются водяные облака, которые становятся плотнее или тоньше по мере вращения объекта, а из глубины поднимаются химические соединения, переносимые конвекцией. Разделить эти сигналы, что было невозможно с помощью более старых телескопов, и позволили возможности «Джеймса Уэбба».

«Это первый случай, когда мы смогли подтвердить, что водяные облака становятся тоньше и плотнее на nearby world», — отметила Майлз, постдокторант обсерватории Стюарда. «До «Уэбба» у нас была только фотометрия, которая смешивала эффекты облаков, химии и температуры вместе. Теперь мы действительно можем их различать».

Помимо переменных температур, следующих за вращением коричневого карлика, спектрограф также зафиксировал ритмичный волнообразный сигнал, связанный с конкретными газами: угарным газом и фосфином. Эти химические вещества колеблются, потому что тепло из недр коричневого карлика постоянно поднимает их к поверхности — так же, как горячий суп выталкивает более теплую жидкость со дна кастрюли.

Марк Марли, директор и заведующий кафедрой Лунарной и планетарной лаборатории Аризонского университета, сравнил процесс наблюдения с взглядом через сетчатую дверь. «Фотоны проходят через атмосферу и улетают в космос», — пояснил он. «Это как смотреть на мир через сетчатую дверь, где сетка отфильтровывает часть света. Мы узнаем о мире по обе стороны от сетки, но также должны понимать и саму сетку».

В данном случае «сетка» постоянно меняется. По мере вращения WISE 0855 в поле зрения попадают разные участки его поверхности, каждый с немного отличающимся облачным покровом и температурой — как если бы мы наблюдали медленно вращающийся лоскутный узор из более теплых и холодных областей. Чувствительности спектрографа «Уэбба» среднего разрешения хватило, чтобы отследить эти различия по отдельным молекулярным признакам.

Сравнение с атмосферными моделями показало, что для воспроизведения общей формы спектра WISE 0855 необходимы водяные облака. Наилучшая модель описывает облачную атмосферу с химическим перемешиванием. «Мы видим, как водяные облака становятся плотнее и тоньше, а глубинные газы поднимаются и опускаются, и мы действительно можем наблюдать за их изменениями в реальном времени», — добавила Майлз.

По словам исследовательницы, открытие также дает представление о планетарных атмосферах в более широком смысле. Физика конвекции, облаков и химии, управляющая Юпитером, по-видимому, управляет и этим объектом. Если эти процессы универсальны, они должны применяться и к газовым гигантам-экзопланетам. «Хотя коричневые карлики не являются настоящими планетами, они демонстрируют планетоподобное поведение», — заключила она.