Уэбб раскрывает сложную атмосферу беззвездного супер-Юпитера

Эти кривые блеска показывают изменение яркости трех различных наборов длин волн (цветов) ближнего инфракрасного света, исходящего от изолированного объекта планетарной массы SIMP 0136 по мере его вращения. Свет был зафиксирован NIRSpec (ближний инфракрасный спектрограф) Уэбба, который собрал в общей сложности 5726 спектров — по одному каждые 1,8 секунды — в течение примерно 3 часов 23 июля 2023 года. Считается, что изменения яркости связаны с различными атмосферными особенностями — глубокими облаками, состоящими из частиц железа, более высокими облаками, состоящими из крошечных зерен силикатных минералов, и высотными горячими и холодными точками, — вращающимися в поле зрения и исчезающими из него. Диаграмма справа иллюстрирует возможную структуру атмосферы SIMP 0136, причем цветные стрелки представляют те же длины волн света, что и на кривых блеска. Толстые стрелки представляют больше (более яркий) света; тонкие стрелки представляют меньше (более тусклый) света. Автор: NASA, ESA, CSA, and Joseph Olmsted (STScI)

Международная группа исследователей обнаружила, что ранее наблюдавшиеся изменения яркости свободно плавающего объекта планетарной массы, известного как SIMP 0136, должны быть результатом сложной комбинации атмосферных факторов и не могут быть объяснены только облаками.

Используя космический телескоп НАСА «Джеймс Уэбб» для мониторинга широкого спектра инфракрасного света, излучаемого SIMP 0136 за два полных периода вращения, команда смогла обнаружить изменения в слоях облаков, температуре и химическом составе углерода, которые ранее были скрыты от глаз.

Результаты дают важнейшее представление о трехмерной сложности атмосфер газовых гигантов внутри и за пределами нашей солнечной системы. Подробная характеристика таких объектов является важной подготовкой к прямой съемке экзопланет, планет за пределами нашей солнечной системы, с помощью космического телескопа НАСА Nancy Grace Roman, который должен начать работу в 2027 году.

Быстро вращающийся, свободно плавающий

SIMP 0136 — это быстро вращающийся, свободно плавающий объект, масса которого примерно в 13 раз больше массы Юпитера, расположенный в Млечном Пути всего в 20 световых годах от Земли. Хотя он не классифицируется как газовый гигант, экзопланета, он не вращается вокруг звезды и может быть коричневым карликом, SIMP 0136 — идеальная цель для экзометеорологии: это самый яркий объект такого рода в северном небе. Поскольку он изолирован, его можно наблюдать, не опасаясь светового загрязнения или изменчивости, вызванной звездой-хозяином. А его короткий период вращения, всего 2,4 часа, позволяет проводить очень эффективные исследования.

До наблюдений Уэбба SIMP 0136 широко изучался с помощью наземных обсерваторий и космических телескопов НАСА «Хаббл» и «Спитцер».

«Мы уже знали, что яркость меняется, и были уверены, что существуют неоднородные слои облаков, которые то появляются, то исчезают из поля зрения и со временем развиваются», — объяснила Эллисон Маккарти, докторант Бостонского университета и ведущий автор исследования , опубликованного в The Astrophysical Journal Letters. «Мы также думали, что могут быть температурные колебания, химические реакции и, возможно, некоторые эффекты полярной активности, влияющие на яркость, но мы не были в этом уверены».

Чтобы это выяснить, команде потребовалась способность Уэбба очень точно измерять изменения яркости в широком диапазоне длин волн.

Картографирование тысяч инфракрасных радуг

Используя NIRSpec (спектрограф ближнего инфракрасного диапазона), Уэбб запечатлел тысячи отдельных спектров от 0,6 до 5,3 микрон — по одному каждые 1,8 секунды в течение более трех часов, пока объект совершал один полный оборот. За этим немедленно последовало наблюдение с помощью MIRI (инструмент среднего инфракрасного диапазона), который собрал сотни спектроскопических измерений света от 5 до 14 микрон — по одному каждые 19,2 секунды в течение другого оборота.

Эта концепция художника показывает, как может выглядеть изолированный объект планетарной массы SIMP 0136, основываясь на недавних наблюдениях с космического телескопа Джеймса Уэбба NASA и предыдущих наблюдениях с Hubble, Spitzer и многочисленных наземных телескопов. Исследователи использовали NIRSpec (спектрограф в ближнем инфракрасном диапазоне) и MIRI (инструмент в среднем инфракрасном диапазоне) Уэбба для измерения тонких изменений яркости инфракрасного света, когда объект совершил два 2,4-часовых оборота. Анализируя изменение яркости различных длин волн с течением времени, они смогли обнаружить изменчивость облачного покрова на разных глубинах, температурные колебания в верхних слоях атмосферы и изменения в химии углерода, когда разные стороны объекта входили и выходили из поля зрения. Эта иллюстрация основана на спектроскопических наблюдениях Уэбба. Уэбб не сделал прямого изображения объекта. Автор: NASA, ESA, CSA, and Joseph Olmsted (STScI)

Результатом стали сотни подробных кривых блеска, каждая из которых показывала изменение яркости очень точной длины волны (цвета) при вращении разных сторон объекта в сторону обзора.

«Увидеть полный спектр изменения этого объекта в течение нескольких минут было невероятно», — сказала главный исследователь Джоанна Вос из Тринити-колледжа в Дублине. «До сих пор у нас был только небольшой кусочек ближнего инфракрасного спектра от Хаббла и несколько измерений яркости от Спитцера».

Команда почти сразу заметила, что существует несколько различных форм кривых блеска. В любой момент времени некоторые длины волн становились ярче, в то время как другие становились тусклее или вообще не менялись. На изменения яркости должен влиять ряд различных факторов.

«Представьте, что вы смотрите на Землю издалека. Если бы вы смотрели на каждый цвет по отдельности, вы бы увидели разные узоры, которые что-то вам расскажут о ее поверхности и атмосфере, даже если вы не можете различить отдельные особенности», — объяснил соавтор Филипп Мьюирхед, также из Бостонского университета. «Синий цвет усилится, когда океаны попадут в поле зрения. Изменения в коричневом и зеленом цветах расскажут вам что-то о почве и растительности».

Пятнистые облака, горячие точки и химия углерода

Чтобы выяснить, что может быть причиной изменчивости на SIMP 0136, команда использовала атмосферные модели, чтобы показать, где в атмосфере возникает каждая длина волны света.

«Разные длины волн предоставляют информацию о разных глубинах в атмосфере», — объяснил Маккарти. «Мы начали понимать, что длины волн, которые имели наиболее схожие формы световых кривых, также исследовали те же глубины, что укрепило идею о том, что они должны быть вызваны одним и тем же механизмом».

Одна группа длин волн, например, берет начало глубоко в атмосфере, где могут быть неоднородные облака, состоящие из частиц железа. Вторая группа исходит из более высоких облаков, которые, как считается, состоят из крошечных зерен силикатных минералов. Изменения в обеих этих кривых блеска связаны с неоднородностью слоев облаков.

Третья группа длин волн возникает на очень большой высоте, намного выше облаков, и, по-видимому, отслеживает температуру. Яркие «горячие точки» могут быть связаны с полярными сияниями, которые ранее были обнаружены на радиоволнах, или с подъемом горячего газа из более глубоких слоев атмосферы.

Некоторые из кривых блеска не могут быть объяснены ни облаками, ни температурой, а вместо этого показывают изменения, связанные с химией атмосферного углерода. Могут быть карманы оксида углерода и диоксида углерода, вращающиеся в поле зрения и исчезающие из него, или химические реакции, вызывающие изменение атмосферы с течением времени.

«Мы пока еще не разобрались с химической частью головоломки», — сказал Вос. «Но эти результаты действительно захватывающие, потому что они показывают нам, что распространенность молекул, таких как метан и углекислый газ, может меняться от места к месту и со временем. Если мы смотрим на экзопланету и можем получить только одно измерение, нам нужно учитывать, что оно может не быть репрезентативным для всей планеты».

Больше информации: Allison M. McCarthy et al, The JWST Weather Report from the Isolated Exoplanet Analog SIMP 0136+0933: Pressure-dependent Variability Driven by Multiple Mechanisms, The Astrophysical Journal Letters (2025). DOI: 10.3847/2041-8213/ad9eaf

Источник: NASA