Webb zobaczył pogodę w innym świecie. Chmury zmieniają się jak na Ziemi

Zaledwie 7,5 roku świetlnego od Ziemi znajduje się świat, na którym chmury z wody zmieniają swoją grubość, a z głębin atmosfery unoszą się gorące gazy. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba właśnie pozwolił astronomom prześledzić te zjawiska z dokładnością, jakiej wcześniej nie osiągnięto poza Układem Słonecznym. Obiekt nazywa się WISE 0855 i jest najzimniejszym znanym brązowym karłem. Naukowcy obserwowali go przez 11 godz., rejestrując nowe widmo co 15 min. Dzięki temu udało się rozdzielić zmiany zachmurzenia od procesów chemicznych zachodzących znacznie głębiej.

WISE 0855 to jeden z najbardziej niezwykłych obiektów w naszym kosmicznym sąsiedztwie. Znajduje się zaledwie 7,5 roku świetlnego od Słońca, jest wielkości zbliżonej do Jowisza i nie krąży wokół żadnej gwiazdy. Jego temperatura efektywna wynosi około 265 K, czyli mniej więcej -8 st. C.

To wyjątkowo mało jak na brązowego karła. Obiekty te powstają podobnie jak gwiazdy, z zapadających się obłoków gazu, ale nie osiągają wystarczającej masy, by podtrzymywać reakcje syntezy wodoru charakterystyczne dla zwykłych gwiazd. Stopniowo wypromieniowują więc energię i stygną. WISE 0855 znajduje się na skraju tej kategorii. Temperaturą i rozmiarami przypomina raczej gazową planetę niż gwiazdę, choć jego pochodzenie i klasyfikacja pozostają inne.

Już kilka lat temu opisywaliśmy WISE 0855 jako najzimniejszego znanego brązowego karła, w którego atmosferze mogą istnieć chmury z wody. Wcześniejsze obserwacje wskazywały na ich obecność, ale nie pozwalały dokładnie oddzielić wpływu zachmurzenia od zmian temperatury i składu chemicznego atmosfery. Teraz astronomowie z Uniwersytetu Arizony uzyskali znacznie bardziej szczegółowy obraz tego, co dzieje się w gazowej otoczce obiektu.

Naukowcy skierowali w stronę WISE 0855 spektrograf NIRSpec znajdujący się na pokładzie teleskopu Webba. Instrument rejestrował promieniowanie podczerwone w zakresie długości fal od 2,87 do 5,27 mikrometra. Przez 11 godz. zbierano kolejne widma w odstępach 15 min. Powstała seria pozwalająca śledzić nie tylko jasność obiektu, lecz także zachowanie poszczególnych substancji znajdujących się w jego atmosferze.

To zasadnicza różnica, bo wcześniejsze pomiary wskazywały, że WISE 0855 okresowo jaśnieje i ciemnieje, ale nie było jasne, czy odpowiadają za to chmury, temperatura czy zmiany składu chemicznego gazów. Spektroskopia pozwala zajrzeć głębiej. Różne cząsteczki pochłaniają promieniowanie przy charakterystycznych długościach fal. Kiedy astronomowie porównują kolejne widma, mogą ustalić, które substancje odpowiadają za obserwowane wahania.

W opublikowanym badaniu zespół wykazał, że w atmosferze WISE 0855 działają co najmniej 2 mechanizmy. Jeden wiąże się ze zróżnicowanymi chmurami wodnymi w górnych warstwach, a drugi z transportem gazów z obszarów położonych znacznie głębiej.

Najciekawsze odkrycie dotyczy chyba samego zachmurzenia. Obserwacje i modele atmosferyczne dostarczyły dowodów na obecność niejednorodnych chmur z wody, których wpływ na obserwowane promieniowanie zmienia się w czasie.

Gdy brązowy karzeł obraca się wokół własnej osi, w pole widzenia teleskopu trafiają obszary o różnym zachmurzeniu i temperaturze. Jedne warstwy mocniej tłumią promieniowanie, inne pozwalają wydostać się większej ilości energii z głębszych części atmosfery. Zjawisko pod pewnymi względami przypomina pogodę na Ziemi. Również u nas chmury mają różną grubość i zmieniają sposób, w jaki promieniowanie dociera do obserwatora.

Jest jednak jedna ważna różnica. Webb nie wykonał fotografii pojedynczych chmur ani filmu pokazującego ich przemieszczanie. Ich właściwości odtworzono na podstawie zmian widma i porównania obserwacji z modelami atmosferycznymi. Nie wiadomo też jeszcze dokładnie, jak szybko zmieniają się same chmury, a w jakim stopniu obserwowane różnice wynikają z obrotu obiektu. To pierwsza tak wyraźna spektroskopowa wskazówka pozwalająca badać zmienność chmur wodnych na świecie znajdującym się poza Układem Słonecznym.

W danych znaleziono również drugi rodzaj zmian, których nie dało się wyjaśnić samym zachmurzeniem. Najsilniejsza zmienność występowała w zakresie długości fal charakterystycznych dla tlenku węgla. Przy niektórych długościach fal różnica pomiędzy minimalnym a maksymalnym sygnałem sięgała 10 proc. Badacze dostrzegli także powiązane zmiany sygnałów tlenku węgla i fosfiny. Obie substancje dostarczają informacji o procesach zachodzących w głębszych, gorętszych warstwach atmosfery.

W grę wchodzi więc konwekcja. Gaz ogrzewany we wnętrzu unosi się ku górze, transportując substancje, które w chłodniejszych warunkach występowałyby w innych proporcjach. Dzięki temu obserwowany skład atmosfery nie zawsze odpowiada temu, czego należałoby oczekiwać na podstawie temperatury panującej w jej górnych warstwach. Podobne procesy zachodzą na Jowiszu, gdzie cyrkulacja atmosferyczna przenosi ciepło i związki chemiczne pomiędzy różnymi poziomami gazowej otoczki.

Zespół ustalił, że zmiany związane z tlenkiem węgla i fosfiną pochodzą z innych głębokości niż te przypisywane wodnym chmurom. To pozwala badać atmosferę nie tylko jako powierzchnię widoczną z daleka, lecz jako układ kilku warstw, pomiędzy którymi stale krąży materia.

Nie jest to pierwsza obserwacja zmiennej pogody na brązowym karle. W październiku ubiegłego roku opisywaliśmy niezwykłe warunki na SIMP-0136, gdzie Webb badał zmiany temperatury, chmury krzemianowe i ślady procesów związanych z zorzami polarnymi.

Tamten obiekt jest jednak znacznie cieplejszy od WISE 0855, a jego atmosfera ma inny charakter. Nowe badania pozwalają więc przesunąć podobne analizy w stronę znacznie chłodniejszych światów, bardziej przypominających gazowe planety.

Przy badaniu egzoplanet chmury są jednym z największych problemów, ponieważ potrafią zasłaniać głębsze warstwy atmosfery i utrudniać określanie jej składu. Jeżeli naukowcy lepiej zrozumieją zachowanie chmur i gazów na stosunkowo bliskich brązowych karłach, będą mogli precyzyjniej interpretować obserwacje planet krążących wokół odległych gwiazd. WISE 0855 jest do tego znakomitym obiektem. Nie ma jasnej gwiazdy macierzystej, której światło utrudniałoby obserwacje, a jego temperatura zbliża go do świata gazowych olbrzymów.

Mimo 11 godz. obserwacji astronomowie nadal nie ustalili jednoznacznie okresu obrotu WISE 0855. W sygnale pojawiały się zmiany o okresach około 5,4-5,6 godz., ale nie oznacza to, że tyle trwa doba na tym obiekcie. Podobną zmienność mogą powodować różne struktury atmosferyczne pojawiające się w polu widzenia teleskopu.

Naukowcy potrzebują dłuższych obserwacji, obejmujących co najmniej 20 godz., a najlepiej również pomiarów powtarzanych w różnych terminach. Pozwoli to rozróżnić wpływ obrotu, wiatrów i ewentualnych wielkich wirów atmosferycznych. Na razie najważniejsze jest to, że teleskop Webba pozwolił jednocześnie śledzić zmienność zachmurzenia i skład chemiczny gazów pochodzących z różnych głębokości.

Przeczytaj także:

Nie znaleziono drugiej Ziemi ani planety z oceanami i deszczem. Odkryto natomiast świat, w którego atmosferze działają procesy fizyczne znane z naszego Układu Słonecznego i pokazano, że można je badać z odległości 7,5 roku świetlnego, obserwując subtelne zmiany podczerwonego światła.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI