Астрономи вирішили одну з загадок коричневих карликів

Тьмяні астрономічні об'єкти, звані коричневими карликами, менш масивні, ніж наше Сонце, але при цьому більш масивні нашого газового гіганта Юпітера. Вони мають атмосферою з потужними вітрами і масивними хмарами плямистої форми і складаються в основному з крапель розплавленого заліза і силікатної пилу. Нещодавно було встановлено, що ці гігантські хмари можуть дуже швидко (менш ніж за один земний день) накопичуватися і так само швидко розсіюватися. Але при цьому дослідники не розуміють, чому це відбувається.

У рамках нового аналізу даних, зібраних за допомогою космічного телескопа «Спітцер», міжнародна група вчених змогла створити модель, що пояснює, як саме хмари коричневих карликів рухаються і змінюють свою форму. Створювані цими об'єктами гігантські хвилі запускають дуже масштабний рух частинок в атмосфері коричневих карликів, змінюючи товщину силікатних хмар. Про це вчені повідомили на сторінках журналу Science. У звіті також передбачається, що ці хмари збираються разом на різних висотах, рухаючись з різною швидкістю і напрямом.

«Ми вперше спостерігали атмосферні потоки і хвилі у коричневих карликів», — зазначив автор дослідження Даниеэль Апаи, доцент кафедри астрономії і планетології Арізонського університету.

Хвилі можуть формуватися не тільки на воді, як, наприклад, у наших морях і океанах, але й в атмосфері планет. Якщо брати нашу планету, то дуже довгі хвилі змішують холодне повітря полярних регіонів з повітряними масами середніх широт, що найчастіше призводить або до появи, або розсіювання хмар.

Розподіл і рух хмар у коричневих карликів, які стали об'єктами даного дослідження, виявилися найбільш схожими на ті, що вчені спостерігали на Юпітері, Сатурні і Нептуні. Останній теж володіє декількома повітряними потоками, які рухаються в протилежному напрямку, але складаються вони в основному з льоду. Спостереження за Нептуном за допомогою космічного телескопа «Кеплер» стало ключовим у цьому порівнянні між планетами і коричневими карликами.

«Атмосферні вітру коричневих карликів дуже схожі на юпитерианские пояси і зони, ніж на хаотичні атмосферні формування, що спостерігаються на Сонці і багатьох інших зірок», — додає співавтор дослідження Марк Марлі з Дослідницького центру Еймса NASA.

Коричневі карлики можна розглядати як невдалі зірки, так як їх маса надто мала, щоб підтримувати хімічні реакції елементів в їх ядрах. Але їх також можна розглядати і як «суперпланеты», так як вони масивніше Юпітера, але при цьому володіють приблизно тим же діаметром. Як і газові гіганти, коричневі карлики в основному складаються з водню і гелію, однак вони досить часто зустрічаються за межами якої-небудь планетарної системи. А в 2014 році, в рамках дослідження, що проводилося з застосуванням космічного телескопа «Спітцер», вчені з'ясували, що на коричневих карликів досить часто вирують атмосферні шторму.

Завдяки своїй схожості з гігантськими екзопланетами коричневі карлики можуть бути вікном в інші планетарні системи. При цьому ці об'єкти набагато простіше вивчати, тому що вони, як правило, не мають поруч з собою справжніх яскравих зірок, що ускладнюють спостереження за ними, як це часто буває з екзопланетами.

«Цілком можливо, що ті атмосферні потоки і хвилі, які ми виявили у коричневих карликів, будуть таким ж частим явищем для більш звичайних гігантських екзопланет», — додає Апаи.

Використовуючи «Спітцер», вчені проводили спостереження за зміною світності шести коричневих карликів протягом майже півтора року, ставши свідком 32 обертів навколо своєї осі кожного з них. По мірі обертання коричневого карлика його хмари то з'являються, то зникають у тому півкулі, за яким ведеться спостереження в телескоп, що змінює його яскравість. Завдяки цьому вчені змогли проаналізувати ці світлові зміни, щоб з'ясувати, яким чином відбувається розподіл силікатних хмар в атмосфері таких об'єктів.

Раніше вчені припускали, що у коричневих карликів будуть матися еліптичні шторму, схожі на Велике червоне пляма Юпітера, викликається і підтримується зонами високого тиску. Пляма знаходиться на Юпітері ось уже сотню років і за цей час мало що змінилося. Але такі «плями» не можуть пояснити такі швидкі зміни в яскравості, які спостерігали вчені під час вивчення коричневих карликів. Відзначаються зміни відбувалися менш ніж за одну земні добу.

Щоб докопатися до істини, науковцям довелося переглянути своє припущення. І кращою моделлю, яка пояснювала б подібна поведінка і різкі зміни в світності, виявилася та, що описує величезні атмосферні хвилі, що виявляються з різним інтервалом. Ці хвилі змушують атмосферні потоки обертатися в протилежні сторони. Суперкомп'ютер новий комп'ютерний алгоритм допомогли досліднику Аризонського університету Теодора Каралиди створити карту руху хмар у коричневих карликів.

«Коли піки двох хвиль зсунуті, протягом дня спостерігається дві точки максимальної яскравості. Коли хвилі синхронізуються, виходить один пік яскравості (одна хвиля), який робить коричневі карлики в два рази яскравіше», — пояснює Каралиди.

Ці результати повністю пояснюють дивну зміну в яскравості, яке спостерігали вчені до цього при вивченні коричневихкарликів. Наступним кроком буде спроба краще зрозуміти, що саме створює хвилі, які запускають рух атмосферних мас цих об'єктів.