На планете размером с Юпитер в 7 световых годах от нас обнаружены водяные облака

Фото из открытых источников

Космический телескоп Джеймса Уэбба наблюдал за WISE 0855, самой холодной из известных «несостоявшихся звезд», в течение 11 часов и зафиксировал изменения в ее атмосфере. Водяные облака на большой высоте становились то толще, то тоньше, в то время как газ поднимался из глубин.

Примерно в 7,4 световых годах от Солнца дрейфует в космосе тусклый газовый шар, по диаметру примерно равный Юпитеру, без звезды, которая могла бы его согревать. Юпитер достаточно велик, чтобы рядом поместилось около 11 планет Земля. (Световой год — это расстояние, которое свет проходит за год) Это означает, что объект находится примерно в 44 триллионах миль, или 70 триллионах километров, от нас. Зонду, подобному «Вояджеру-1», который движется со скоростью около 17 километров в секунду, потребовалось бы более 100 000 лет, чтобы добраться до него. И тем не менее, это один из наших ближайших соседей.

Его температура составляет около 265 кельвинов, по шкале, используемой учёными, где ноль — самая низкая возможная температура. Это примерно −8 °C, или 17 °F, что немного теплее, чем внутри домашней морозильной камеры. Для такого большого объекта, который всё ещё светится от остаточного тепла, это очень холодно.

Теперь группа исследователей под руководством Бриттани Майлз, помощника астронома в обсерватории Стюарда при Университете Аризоны, создала наиболее подробное на сегодняшний день изображение того, как меняется атмосфера планеты с течением времени. По данным университета, это первое прямое подтверждение того, что водяные облака на планете за пределами нашей Солнечной системы меняют свою толщину, подобно тому, как меняются облака в земной атмосфере. Результаты работы описаны в статье, опубликованной в The Astrophysical Journal.

В самой статье высказывается более осторожная точка зрения. В ней говорится о доказательствах существования неоднородных водяных облаков. Никто не видел эти облака непосредственно: вывод основан на сравнении наблюдений с компьютерными моделями атмосферы.

Объект WISE 0855 назван в честь инфракрасного спутника НАСА WISE, который его обнаружил. Астроном Кевин Луман из Университета штата Пенсильвания объявил об открытии в 2014 году. Он заметил, что объект необычайно быстро перемещается на фоне звезд на изображениях, полученных с помощью WISE и космического телескопа НАСА Spitzer. Снимки, сделанные с интервалом примерно в шесть месяцев, также показали небольшое смещение, вызванное движением Земли вокруг Солнца — тот же эффект, который вы видите, когда закрываете один глаз, а затем другой. Величина этого смещения позволяет определить расстояние.

Этот объект находится в созвездии Гидры. Это четвёртая по близости к Солнцу система, уступающая только Альфа Центавра (системе из трёх звёзд), звезде Барнарда и отдельной паре коричневых карликов.

Коричневый карлик — это объект, слишком большой для планеты и слишком маленький, чтобы воспламенить своё ядро так же, как это делает звезда, поэтому его иногда называют «несостоявшейся звездой». Он слабо светится от тепла, оставшегося после его образования, и медленно остывает в течение миллионов лет. WISE 0855 принадлежит к самому холодному классу, так называемым Y-карликам, и является самым холодным из известных. Когда он был обнаружен, предыдущие рекордсмены имели температуру, близкую к комнатной. По данным Университета Аризоны, его масса примерно вдвое больше массы Юпитера, но размер почти такой же, поэтому во многих отношениях он выглядит и ведёт себя как гигантская планета, дрейфующая в одиночестве.

Этот холод делает его особенным. При температуре около 265 кельвинов здесь достаточно холодно, чтобы вода конденсировалась в облаках высоко в атмосфере, и в то же время достаточно тепло, чтобы аммиак оставался в газообразном состоянии. Для тех, кто изучает атмосферы, это почти хрестоматийный случай.

До телескопа Вебба астрономы в основном использовали измерения общей яркости объекта, которые учитывали влияние облаков, химического состава воздуха и температуры. Это как следить за футбольным матчем только по табло: вы знаете, что что-то изменилось, но не знаете, что именно и почему.

Спектр работает иначе. Он расщепляет свет на цвета, и каждый газ оставляет свой собственный узор из темных полос, своего рода химический штрихкод.

2 декабря 2023 года ближнеинфракрасный спектрограф телескопа Webb, NIRSpec, записывал один спектр WISE 0855 каждые 15 минут в течение примерно 11 часов. Наблюдение проводилось в рамках программы Webb, предложенной группой под руководством Эндрю Скемера из Калифорнийского университета в Санта-Крузе. В ней использовался инфракрасный свет, невидимый для наших глаз, и было сделано то, что не удавалось ни одному из более ранних телескопов для объекта такой низкой температуры: отслеживались отдельные газы по одному по мере вращения объекта.

На некоторых длинах волн интенсивность света увеличивалась и уменьшалась на целых 10%. Наибольшие изменения были вызваны поглощением света окисью углерода, а количество фосфина, газа, состоящего из фосфора и водорода, увеличивалось и уменьшалось синхронно с ним.

Чтобы разобраться в таком огромном количестве сигналов, команда использовала статистический метод, который разбивает запутанный сигнал на отдельные скрытые в нем закономерности. Две основные закономерности изменялись с разной скоростью. Это говорит о том, что они обусловлены разными особенностями видимых слоев объекта.

Исходя из этого, авторы предлагают двухуровневую картину. Верхний слой состоит из водяных облаков, с более толстыми и более тонкими участками. По мере вращения объекта эти участки то появляются, то исчезают из поля зрения, а его кажущаяся температура колеблется чуть более чем на один градус.

В глубинах океана тот же процесс, который поднимает горячий суп со дна кастрюли, известный как конвекция, поднимает газ из глубоких слоев. Давление там примерно в 70 раз выше, чем мы ощущаем на уровне моря, и аналогично давлению на глубине около 700 метров (2300 футов) под океаном. В этой схеме, когда облака становятся тоньше, газ из-под них становится более отчетливо виден.

Марк Марли, соавтор и директор Лаборатории лунных и планетарных исследований Университета Аризоны, сравнивает эту проблему с «взглядом на мир через сетчатую дверь». Сетка фильтрует часть света. Ученые могут изучать мир по обе стороны от нее, но им также необходимо понимать саму сетку. В данном случае сетка постоянно меняется.

Одна деталь бросается в глаза. Моделирование, включающее водяные облака, лучше соответствует данным, чем то, которое их не включает, во всех случаях, проверенных командой. Однако колебания концентраций угарного газа и фосфина слишком велики, чтобы их можно было объяснить только толщиной облаков или температурой. Похоже, что оба процесса действуют одновременно.

Для Майлза и Марли интерес выходит за рамки этого одного объекта. По словам Майлза, коричневые карлики не являются настоящими планетами, но ведут себя как планеты, и между ними существует целый ряд особенностей, а не четкая грань. Физика конвекции, облаков и химии, управляющих атмосферой Юпитера, похоже, так же хорошо работает и на планете, дрейфующей в одиночестве в семи световых годах от нас. Если это так, то полученные здесь знания могут помочь ученым интерпретировать газовые гиганты, которые Уэбб начинает изучать вокруг других звезд.

Авторы также набросали, как могло бы выглядеть небо. Они считают вероятным, что WISE 0855 видна почти сбоку, экватором, обращенным к нам, поскольку при наблюдении с полюса колебания были бы гораздо меньше.

Они считают, что изменения вызваны ветрами, дующими полосами, параллельными экватору, подобно полосам Юпитера, а не огромными круговыми штормами. Это вывод, сделанный на основе моделирования, а не наблюдений.

В статье откровенно говорится о её ограничениях. Модели с облаками улучшают соответствие, но ни одна из них не воспроизводит весь спектр, и авторы просят использовать модели, настроенные на этот объект. Оксид углерода и диоксид углерода указывают на разную степень перемешивания внутри одной и той же атмосферы, что не соответствует простым моделям и может зависеть от того, какая часть объекта состоит из элементов тяжелее водорода и гелия. Фосфин также обнаруживается в меньших количествах, чем ожидалось, — закономерность, уже наблюдавшаяся у других коричневых карликов.

Продолжительность суток на WISE 0855 также неизвестна. Данные Уэбба показывают сигналы каждые 5,4–5,6 часа, что составляет примерно половину суток на Юпитере, длящихся почти десять часов. Есть также намеки на более длительные периоды.

Более ранние данные телескопа Spitzer указывали на примерно девять часов наблюдений за одну кампанию. Имея всего 11 часов наблюдений телескопа Webb, авторы признают, что не могут с уверенностью сказать, наблюдают ли они вращение, ветры или большие волны в атмосфере.

Для уточнения этого вопроса потребовалось бы более 20 часов наблюдений, повторяющихся в разные даты. Только тогда стало бы возможно определить продолжительность суток на WISE 08:55 и определить, меняются ли два «климата» — облачный сверху и бурлящий снизу — одновременно или по отдельности.