Международная команда ученых раскрыла тайну странного объекта в космосе. Они выяснили, что загадочные перепады яркости небесного тела по имени SIMP 0136 возникают из-за сложного танца атмосферных процессов, а не только из-за облаков, как считалось раньше.

Чтобы разобраться в этом, исследователи задействовали самый мощный телескоп — «Джеймс Уэбб». Они следили за объектом на протяжении двух полных оборотов вокруг своей оси, изучая широчайший диапазон инфракрасного света. Им удалось заглянуть туда, куда раньше никто не видел: они заметили, как меняются облачные слои, температура и даже химический состав углерода в атмосфере.

Это большое достижение. Теперь ученые лучше понимают, как устроены атмосферы планет-гигантов — и тех, что кружатся вокруг нашего Солнца, и тех, что находятся за пределами системы. Такие подробные исследования нужны, чтобы подготовиться к съемке настоящих экзопланет новым телескопом «Нэнси Грейс Роман», который заработает в 2027 году.

Подробности опубликованы в издании Astrophysical Journal Letters.

Одинокий, но очень яркий

SIMP 0136 — это шустро вертящийся в одиночестве объект. Он тяжелее Юпитера примерно в 13 раз и находится совсем рядом по космическим меркам — в 20 световых годах от нас, в Млечном Пути. Строго говоря, это не экзопланета: у него нет своей звезды, и, возможно, это особый тип тел — коричневый карлик. Но для изучения погоды на других мирах он — настоящая находка. Это самый яркий объект своего класса на всем северном небе. Он висит сам по себе, и его свечение никто не перебивает — ни свет звезды, ни помехи от нее. А еще он вращается очень быстро, всего за 2,4 часа, что позволяет собрать данные очень оперативно.

Его и раньше изучали — с Земли и с помощью телескопов «Хаббл» и „Спитцер“. Ученые знали о переменах яркости и даже догадывались, что там есть пятнистые облака, которые то появляются, то исчезают, когда объект вращается.

Мы были уверены в облаках, — рассказывает Эллисон Маккарти, студентка Бостонского университета, которая возглавила исследование. — Но подозревали, что дело не только в них. Возможно, температура скачет, идут химические реакции или даже бьют северные сияния. Но точно сказать не могли.

Чтобы докопаться до истины, им нужен был «Уэбб» — только он способен улавливать малейшие колебания яркости в таком широком диапазоне волн.

Тысячи инфракрасных отпечатков

Спектрограф NIRSpec на «Уэббе» начал свою работу. Он делал тысячи снимков спектра — по сути, инфракрасных отпечатков — каждые 1,8 секунды. Это продолжалось больше трех часов, пока SIMP 0136 делал один полный оборот. Сразу после этого в игру вступил инструмент MIRI. Он собирал данные уже в среднем инфракрасном диапазоне, делая замеры каждые 19,2 секунды на протяжении следующего витка.

В итоге ученые получили сотни подробных кривых блеска. Каждая из них показывала, как меняется яркость на одной строго определенной длине волны (то есть цвете), когда объект поворачивается к нам разными боками.

Наблюдать, как спектр целого объекта меняется у тебя на глазах за минуты — это невероятно, — делится впечатлениями руководитель проекта Джоанна Вос из Тринити-колледжа в Дублине. — Раньше у нас был лишь маленький кусочек ближнего инфракрасного диапазона от «Хаббла» и несколько общих замеров от „Спитцера“.

Увиденное поразило их сразу: формы кривых сильно отличались. В один и тот же момент на одних длинах волн объект становился ярче, на других — тускнел, а третьи и вовсе вели себя спокойно.

Стало ясно — на яркость влияет сразу несколько разных сил.

Представьте, что вы смотрите на Землю издалека, — объясняет Филип Мьюирхед, коллега Маккарти из Бостона. — Если рассматривать каждый цвет по отдельности, вы увидите разные узоры. Синий цвет будет усиливаться, когда в поле зрения попадает океан. Коричневый и зеленый расскажут о почве и лесах. Мы делаем примерно то же самое.

Облака, горячие точки и углеродные пятна

Чтобы расшифровать эти узоры на SIMP 0136, команда применила атмосферные модели. Они помогли понять, из каких слоев атмосферы приходит тот или иной свет.

Каждая длина волны — как окошко на определенную глубину, — поясняет Маккарти. — Мы заметили, что волны с похожими кривыми блеска всегда «смотрят» в одни и те же слои. Значит, и причина у них общая.

Например, один набор волн идет из глубоких слоев, где, скорее всего, плавают клочковатые облака из капель железа. Другой набор приходит из более высоких облаков, которые состоят из мельчайшей силикатной пыли. Колебания яркости на этих волнах как раз и выдают пятнистую структуру облаков.

Третья группа волн родится совсем высоко, далеко над облаками. Ее изменения, видимо, связаны с температурой. Яркие горячие пятна могут быть следами северных сияний (их уже ловили в радиодиапазоне) или же выплесками горячего газа из недр.

Но и это еще не все. Часть кривых блеска не объяснить ни облаками, ни жаром. Их выдают изменения в углеродной химии. Возможно, там есть целые области, где больше угарного газа или углекислого газа, и они то появляются, то исчезают из вида. Или же химия атмосферы просто меняется со временем.

Химическую часть загадки мы пока не разгадали до конца, — признается Вос. — Но сам факт потрясающий: количество газов вроде метана и углекислого газа может сильно меняться в зависимости от места и времени. Если мы когда-нибудь будем изучать далекую экзопланету и сможем сделать лишь один замер, нужно помнить: этот замер может не рассказать нам о планете вообще ничего.

В этом исследовании есть как минимум три прорывных направления.

• Для науки. Мы впервые увидели, как «дышит» атмосфера объекта, похожего на газового гиганта, в реальном времени и в 3D. Раньше мы строили модели атмосфер экзопланет, основываясь на статистике и усредненных данных. Теперь у нас есть живой пример того, насколько динамичной и сложной может быть погода на других мирах. Это переворот в экзометеорологии. Мы вплотную приблизились к тому, чтобы не просто обнаружить молекулы в атмосфере, а составить настоящую карту ветров, температуры и химического состава. Это фундаментальный шаг к пониманию природы самих планет и коричневых карликов.
• Для реальной жизни. Самая прямая выгода — это калибровка будущих миссий. С 2027 года телескоп «Нэнси Грейс Роман» начнет делать прямые снимки экзопланет. Но чтобы понять, что мы видим на этих снимках, нужно знать, как интерпретировать пятнышко света. Исследование SIMP 0136 дает нам „эталон“: мы теперь лучше понимаем, какие сигналы может давать атмосфера при взгляде со стороны. Без этого мы бы рисковали неправильно истолковать данные, потратив миллиарды долларов впустую.
• Кроме того, понимание сложных химических процессов в таких экстремальных условиях пригодится и в науках о Земле. Модели циркуляции атмосферы, которые мы создаем для Юпитера или этого объекта, помогают улучшать климатические модели Земли. Это прямая, хоть и неочевидная, польза.

Работа, безусловно, впечатляет уровнем детализации. Однако авторы слишком вольно интерпретируют некоторые данные, выдавая гипотезы за почти установленные факты. Например, утверждение о том, что облака на разных глубинах состоят из железа и силикатов, — это всего лишь подгонка под существующие модели. Прямых спектроскопических доказательств наличия именно этих соединений в облаках мы не видим. Мы видим лишь изменения яркости на определенных длинах волн. С таким же успехом это могли бы быть другие аэрозоли сложной формы.

Более того, вызывают вопросы выводы о переменности содержания углекислого газа и угарного газа. Чтобы заявлять о химической неоднородности, нужно исключить влияние температуры и облаков на те же самые линии поглощения. Авторы использовали модели для разделения этих факторов, но любая модель — это упрощение. В реальной атмосфере эти три фактора (облака, температура, химия) влияют друг на друга нелинейно. Мы получаем усредненную и, возможно, ошибочную картину, пытаясь разложить ее на отдельные составляющие.

В целом, работа — огромный шаг вперед в наблюдательном плане. Но ее теоретическая интерпретация пока остается шаткой. Это не критика, а скорее напоминание: то, что мы видим, — это лишь верхушка айсберга, а не его подводная часть.

Ранее ученые нашли экзопланету, скрывавшуюся в протопланетном диске.