Ученые открыли тайну коричневых карликов

Астрофизики полагают, что эти гигантские облака являются несостоявшимися звездами.

Тусклые астрономические объекты, называемые коричневыми карликами, менее массивны, чем наше Солнце, но при этом более массивны нашего газового гиганта Юпитера. Они обладают атмосферой с мощными ветрами и массивными облаками пятнистой формы и состоящими в основном из капель расплавленного железа и силикатной пыли. Недавно было установлено, что эти гигантские облака могут очень быстро (менее чем за один земной день) скапливаться и так же быстро рассеиваться. Но при этом исследователи не понимают, почему это происходит.

В рамках же нового анализа данных, собранных с помощью космического телескопа "Спитцер", международная группа ученых смогла создать модель, объясняющую, как именно облака коричневых карликов двигаются и изменяют свою форму. Создаваемые этими объектами гигантские волны запускают очень масштабное движение частиц в атмосфере коричневых карликов, изменяя толщину силикатных облаков. Об этом ученые сообщили на страницах журнала Science. В отчете также предполагается, что эти облака скапливаются вместе на разных высотах, двигаясь с разной скоростью и направлением.

"Мы впервые наблюдали атмосферные потоки и волны у коричневых карликов", — отметил автор исследования Даниеэль Апаи, доцент кафедры астрономии и планетологии Аризонского университета.

Волны могут формироваться не только на воде, как, например, в наших морях и океанах, но и в атмосфере планет. Если брать нашу планету, то очень длинные волны смешивают холодный воздух полярных регионов с воздушными массами средних широт, что чаще всего приводит либо к появлению, либо рассеиванию облаков.

Распределение и движение облаков у коричневых карликов, ставших объектами данного исследования, оказались наиболее похожими на те, что ученые наблюдали на Юпитере, Сатурне и Нептуне. Последний тоже обладает несколькими воздушными потоками, которые двигаются в противоположном направлении, но состоят они в основном изо льда. Наблюдение за Нептуном с помощью космического телескопа "Кеплер" стало ключевым в этом сравнении между планетами и коричневыми карликами.

"Атмосферные ветра коричневых карликов очень похожи на юпитерианские пояса и зоны, нежели на хаотические атмосферные формирования, наблюдаемые на Солнце и многих других звездах", — добавляет соавтор исследования Марк Марли из Исследовательского центра Эймса NASA.

Коричневые карлики можно рассматривать как неудавшиеся звезды, так как их масса слишком мала, чтобы поддерживать химические реакции элементов в их ядрах. Но их также можно рассматривать и как "суперпланеты", так как они массивнее Юпитера, но при этом обладают приблизительно тем же диаметром. Как и газовые гиганты, коричневые карлики в основном состоят из водорода и гелия, однако они довольно часто встречаются за пределами какой-либо планетарной системы. А в 2014 году, в рамках исследования, проводившегося с применением космического телескопа "Спитцер", ученые выяснили, что на коричневых карликах довольно часто бушуют атмосферные шторма.

Благодаря своей похожести с гигантскими экзопланетами коричневые карлики могут являться окном в другие планетарные системы. При этом эти объекты гораздо проще изучать, потому что они, как правило, не имеют рядом с собой настоящих ярких звезд, затрудняющих наблюдение за ними, как это часто бывает с экзопланетами.

"Вполне возможно, что те атмосферные потоки и волны, которые мы обнаружили у коричневых карликов, будут таким же частым явлением для более обычных гигантских экзопланет", — добавляет Апаи.

Используя "Спитцер", ученые проводили наблюдение за изменением светимости шести коричневых карликов в течение почти полутора лет, став свидетелем 32 оборотов вокруг своей оси каждого из них. По мере вращения коричневого карлика его облака то появляются, то исчезают в том полушарии, за которым ведется наблюдение в телескоп, что изменяет его яркость. Благодаря этому ученые смогли проанализировать эти световые изменения, чтобы выяснить, каким образом происходит распределение силикатных облаков в атмосфере таких объектов.

Ранее ученые предполагали, что у коричневых карликов будут иметься эллиптические шторма, похожие на Большое красное пятно Юпитера, вызываемое и поддерживаемое зонами высокого давления. Пятно находится на Юпитере вот уже сотню лет и за это время мало изменилось. Но подобные «пятна» не могут объяснить такие быстрые изменения в яркости, которые наблюдали ученые при изучение коричневых карликов. Отмечаемые изменения происходили менее чем за одни земные сутки.

Чтобы докопаться до истины, ученым пришлось пересмотреть свое предположение. И лучшей моделью, которая объясняла бы подобное поведение и резкие изменения в светимости, оказалась та, что описывает огромные атмосферные волны, проявляющиеся с разным интервалом. Эти волны заставляют атмосферные потоки вращаться в противоположные стороны. Суперкомпьютер и новый компьютерный алгоритм помогли исследователю Аризонского университета Теодоре Каралиди создать карту движения облаков у коричневых карликов.

"Когда пики двух волн смещены, в течение дня наблюдается две точки максимальной яркости. Когда волны синхронизируются, получается один пик яркости (одна волна), который делает коричневые карлики в два раза ярче", — объясняет Каралиди.

Эти результаты полностью объясняют странное изменение в яркости, которое наблюдали ученые до этого при изучении коричневых карликов. Следующим шагом будет попытка лучше понять, что именно создает волны, которые запускают движение атмосферных масс этих объектов.