Najzimniejszy brązowy karzeł ma własną pogodę. Webb namierzył zmienne chmury wodne

Astronomowie po raz pierwszy z taką precyzją prześledzili zjawiska atmosferyczne na obiekcie leżącym poza naszym Układem Słonecznym. Chodzi o WISE 0855 - najzimniejszego znanego brązowego karła, oddalonego od Ziemi o 7,5 roku świetlnego. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba obserwował go nieprzerwanie przez 11 godzin, zbierając nowe widmo co 15 minut. Taki sposób pomiaru umożliwił oddzielenie efektów związanych ze zmiennym zachmurzeniem od procesów chemicznych toczących się głębiej w atmosferze.

Wielkość Jowisza i chmury przypominające ziemskie

WISE 0855 należy do najbardziej osobliwych obiektów w kosmicznym otoczeniu Słońca. Dzieli go od nas zaledwie 7,5 roku świetlnego, rozmiarami przypomina Jowisza i nie okrąża żadnej gwiazdy. Jego temperatura efektywna to około 265 K, czyli w przybliżeniu -8 st. C - wartość niezwykle niska jak na brązowego karła.

Obiekty tego typu rodzą się podobnie jak gwiazdy, czyli w wyniku zapadania się obłoków gazu, lecz brakuje im masy potrzebnej do zainicjowania syntezy wodoru. Zamiast tego stopniowo tracą energię i ostygają. WISE 0855 znajduje się na samej granicy tej kategorii obiektów - jego temperatura i gabaryty bliższe są gazowemu olbrzymowi niż gwieździe, choć pod względem pochodzenia i klasyfikacji pozostaje brązowym karłem.

Już wcześniej informowano, że w atmosferze WISE 0855 mogą występować chmury wodne, jednak dotychczasowe obserwacje nie dawały możliwości wyraźnego rozdzielenia wpływu zachmurzenia od wahań temperatury i zmian w składzie chemicznym gazowej otoczki. Dopiero teraz badacze z Uniwersytetu Arizony uzyskali znacznie dokładniejszy obraz procesów zachodzących w tym świecie.

Jedenaście godzin obserwacji kosmicznej pogody

Do badania WISE 0855 wykorzystano spektrograf NIRSpec, zamontowany na pokładzie teleskopu Webba. Urządzenie rejestrowało promieniowanie podczerwone w przedziale długości fal od 2,87 do 5,27 mikrometra. Przez 11 godzin gromadzono kolejne widma co 15 minut, co pozwoliło śledzić nie tylko zmiany jasności obiektu, ale i zachowanie poszczególnych związków chemicznych obecnych w jego atmosferze.

To istotny postęp, bo wcześniej wiedziano jedynie, że jasność WISE 0855 okresowo rośnie i maleje, bez pewności, czy odpowiadają za to chmury, temperatura czy skład chemiczny gazów. Spektroskopia umożliwia zajrzenie głębiej - różne cząsteczki pochłaniają promieniowanie na charakterystycznych długościach fal, więc porównując kolejne widma, naukowcy mogą wskazać, które substancje odpowiadają za zarejestrowane wahania.

Opublikowane badanie wykazało, że w atmosferze tego obiektu działają co najmniej dwa odrębne mechanizmy. Pierwszy związany jest ze zmiennymi chmurami wodnymi w górnych warstwach, drugi zaś z przemieszczaniem się gazów z obszarów leżących znacznie głębiej.

Zmienna grubość chmur, czyli pogoda znana z Ziemi

Za najbardziej intrygujące uznaje się odkrycie dotyczące samego zachmurzenia. Dane obserwacyjne oraz modele atmosferyczne wskazują na obecność niejednorodnych chmur wodnych, których wpływ na rejestrowane promieniowanie zmienia się w czasie.

W miarę obrotu brązowego karła wokół własnej osi w zasięgu teleskopu pojawiają się obszary o odmiennym stopniu zachmurzenia i temperaturze. Część warstw silniej tłumi promieniowanie, inne przepuszczają więcej energii pochodzącej z głębszych partii atmosfery. Mechanizm ten w pewnym sensie przypomina zjawiska pogodowe znane z Ziemi, gdzie chmury o różnej grubości również modyfikują sposób docierania promieniowania do obserwatora.

Trzeba jednak zaznaczyć istotną różnicę. Webb nie sfotografował pojedynczych chmur ani nie nagrał ich ruchu - ich cechy zrekonstruowano na podstawie zmian widma zestawionych z modelami atmosferycznymi. Nie wiadomo jeszcze dokładnie, jak szybko zmieniają się same chmury ani w jakim stopniu obserwowane różnice wynikają z rotacji obiektu. Mimo to jest to pierwszy tak wyraźny spektroskopowy sygnał umożliwiający badanie zmienności chmur wodnych na świecie spoza Układu Słonecznego.

Tlenek węgla i fosfina unoszące się z głębi atmosfery

W zebranych danych odnaleziono też drugi typ zmian, którego nie dało się wytłumaczyć samym zachmurzeniem. Najsilniejsze wahania zaobserwowano w zakresie długości fal typowych dla tlenku węgla - przy niektórych z nich różnica pomiędzy sygnałem minimalnym a maksymalnym sięgała 10 proc. Zespół zauważył również powiązane ze sobą wahania sygnałów tlenku węgla i fosfiny. Obie te substancje niosą informacje o procesach zachodzących w głębszych, cieplejszych warstwach atmosfery.

Wszystko wskazuje więc na konwekcję - gaz ogrzewany we wnętrzu unosi się ku górze, przenosząc związki, które w chłodniejszych warunkach występowałyby w odmiennych proporcjach. Z tego powodu obserwowany skład atmosfery nie zawsze pokrywa się z tym, czego można by oczekiwać wyłącznie na podstawie temperatury panującej w jej górnych partiach. Podobne zjawiska zachodzą na Jowiszu, gdzie cyrkulacja atmosferyczna transportuje ciepło i związki chemiczne między kolejnymi poziomami gazowej powłoki.

Badacze ustalili, że wahania sygnałów tlenku węgla i fosfiny pochodzą z innych głębokości niż te odpowiadające chmurom wodnym. Dzięki temu atmosferę WISE 0855 można traktować nie jako jednolitą powierzchnię widoczną z daleka, lecz jako system kilku warstw, pomiędzy którymi nieustannie krąży materia.

Wcześniej podobnie badano inny brązowy karzeł

To nie pierwszy przypadek, gdy Webb śledzi zmienną pogodę na brązowym karle. W październiku ubiegłego roku opisywano niezwykłe warunki panujące na obiekcie SIMP-0136, gdzie teleskop rejestrował zmiany temperatury, obecność chmur krzemianowych oraz ślady procesów związanych z zorzami polarnymi.

Tamten obiekt jest jednak znacznie cieplejszy od WISE 0855, a charakter jego atmosfery jest inny. Nowe wyniki pozwalają zatem rozszerzyć podobne analizy na świat znacznie chłodniejszy, bardziej zbliżony do gazowych planet.

W badaniach egzoplanet chmury stanowią jedną z największych przeszkód, bo zasłaniają głębsze warstwy atmosfery i utrudniają określenie jej składu. Lepsze zrozumienie zachowania chmur i gazów na stosunkowo bliskich brązowych karłach może pomóc w precyzyjniejszej interpretacji obserwacji planet krążących wokół odległych gwiazd. WISE 0855 jest do tego obiektem wyjątkowo dogodnym - nie posiada jasnej gwiazdy macierzystej, która utrudniałaby pomiary, a jego temperatura zbliża go do gazowych olbrzymów.

Nierozwiązana zagadka: jak szybko obraca się ten świat?

Mimo 11 godzin obserwacji naukowcy wciąż nie potrafią jednoznacznie określić okresu obrotu WISE 0855. W zarejestrowanym sygnale pojawiły się zmiany o okresach rzędu 5,4-5,6 godziny, co jednak nie oznacza automatycznie, że tyle trwa tam doba - podobną zmienność mogą wywoływać różne struktury atmosferyczne przechodzące przez pole widzenia teleskopu.

Aby rozstrzygnąć tę kwestię, potrzebne będą dłuższe sesje obserwacyjne, obejmujące co najmniej 20 godzin, a najlepiej także pomiary powtarzane w różnych terminach. Dzięki temu możliwe stanie się odróżnienie wpływu rotacji, wiatrów oraz ewentualnych wielkich wirów atmosferycznych. Najważniejsze jest jednak to, że teleskop Webba pozwolił jednocześnie uchwycić zarówno zmienność zachmurzenia, jak i skład chemiczny gazów pochodzących z różnych głębokości.

Nie odkryto drugiej Ziemi ani planety z oceanami i deszczem. Znaleziono za to świat, w którego atmosferze zachodzą procesy fizyczne znane z naszego Układu Słonecznego, i pokazano, że da się je badać z odległości 7,5 roku świetlnego, śledząc subtelne zmiany podczerwonego światła.